L'exoplanète Kepler-1520b est si proche de son étoile hôte qu'elle complète une orbite en un peu plus d'une demi-journée. À cette proximité, Kepler-1520b est immobilisé dans une stabilité gravitationnelle, maintenant une moitié de la planète face à l'étoile et l'autre moitié toujours à l'opposé. Malheureusement pour Kepler-1520b, cet arrangement transforme le côté de la planète face à l'étoile en une masse tourbillonnante de roches en fusion et de mers magmatiques, qui fond lentement dans l'espace.
Bien que Kepler-1520b ne soit pas long pour cette galaxie, les astronomes souhaitent en savoir plus sur le monde en désintégration, positionné à environ 2 000 années-lumière de la Terre. La queue de poussière et de débris ressemblant à une comète des planètes pourrait donner un aperçu du processus de formation fondamentale de toutes les planètes de la galaxie. De nouveaux télescopes, tels que le télescope spatial James Webb de la NASA, dont le lancement est prévu en 2021, pourraient peut-être sonder le nuage derrière Kepler-1520b et deux autres mondes à la désintégration lente.
"La composition d'un système exoplanète pourrait être très différente de celle du système solaire", explique Eva Bodman, chercheuse en exoplanètes à l'Arizona State University. Alors que de plus en plus d’exoplanètes sont découvertes, les astronomes sont frappés par le caractère unique de notre système solaire par rapport aux autres planètes en orbite autour d’autres étoiles. Bodman s'est efforcé de déterminer s'il était possible de mesurer la composition d'une petite exoplanète rocheuse en désintégration en étudiant les débris qui la parcouraient. Mais il y avait un problème.
Repérer l'empreinte digitale d'éléments rocheux nécessite d'étudier les mondes infrarouges. Les télescopes au sol ne sont pas assez sensibles pour les repérer, ne laissant que le télescope Spitzer Space Telescope de la NASA et le SOFIA, un télescope transporté au-dessus de l'atmosphère à bord d'un Boeing 747. Ni l'un ni l'autre instrument n'a la portée pour rechercher le matériau rocheux, Bodman dit. Mais James Webb, conçu pour étudier les exoplanètes dans l'infrarouge ainsi que dans les anciennes galaxies et les objets les plus lointains de l'univers, devrait pouvoir regarder à travers les nuages de débris et identifier certains de leurs ingrédients.
Le télescope spatial James Webb, dont le lancement est prévu pour 2021, pourrait être suffisamment puissant pour mesurer les compositions intérieures d'exoplanètes rocheuses alors qu'elles sont déchirées par leurs étoiles. (NASA) "Webb serait capable de mesurer les abondances relatives de différents minéraux", a déclaré Bodman. "Nous pouvons en déduire que la géochimie de l'intérieur de ces planètes existait avant qu'elles ne commencent à se désintégrer." Les conclusions de Mme Bodman et de son équipe sur la faisabilité d'étudier les exoplanètes en décomposition ont été publiées dans le Astronomical Journal à la fin de l'année dernière.
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En 2012, des scientifiques examinant les données du télescope spatial Kepler de la NASA ont découvert des signes d'un monde en train de se déchirer lentement sous l'effet de la chaleur et de la pression, Kepler-1520b. Deux autres planètes déchiquetées ont été trouvées dans les années suivantes parmi les milliers d'exoplanètes découvertes par Kepler et sa mission étendue, K2. En quelques heures à peine, ces corps rocheux encerclent leurs étoiles à des températures pouvant atteindre 4 200 degrés Celsius (7 640 degrés Fahrenheit) sur les régions surchauffées qui font face aux étoiles.
Les températures extrêmes entraînent la dissolution de la planète. "L'atmosphère n'est que de la vapeur de roche", a déclaré Bodman. "C'est la chaleur pure de la planète qui pousse cette atmosphère de vapeur de roche."
Les radiations produites par les étoiles repoussent les atmosphères vaporisées de la planète, créant une queue nuageuse. Bien que Kepler n'ait pas été en mesure de mesurer directement la taille des planètes enveloppées, les simulations suggèrent qu'elles se situent entre la taille de la Lune et celle de Mars. Plus compact, le processus de désintégration s'arrête.
Ces objets n'étaient cependant pas toujours aussi petits et ratatinés. On pense que Kepler-1520b et les deux autres objets similaires se sont formés en tant que géantes gazeuses, après quoi ils ont migré vers leurs étoiles hôtes et ont été dévêtus jusque dans le noyau rocheux.
Ces dernières années, les scientifiques exoplanètes ont fait de grands progrès en étudiant l'atmosphère des grandes planètes gazeuses en orbite autour d'autres étoiles. La plupart de ces matériaux sont riches en hydrogène et en hélium et peuvent être identifiés à l'aide du télescope spatial Hubble de la NASA. Mais les matériaux rocheux tombent sur une partie différente du spectre, "dans des longueurs d'onde que Hubble ne peut pas atteindre actuellement", explique Knicole Colon, astrophysicien de recherche au centre de vol spatial Goddard de la NASA dans le Maryland, qui a étudié la planète en désintégration K2-22. "Avec James Webb, nous serions en mesure d'aller à ces longueurs d'onde."
En utilisant Webb à la recherche de matériaux tels que le fer, le carbone et le quartz, les astronomes pourraient mieux comprendre ce qui se passe dans des mondes lointains. "Si nous pouvions détecter l'une ou l'autre de ces caractéristiques, nous pourrions dire avec une certaine certitude en quoi ces corps rocheux sont fabriqués", explique Colon. "Cela pourrait certainement être très instructif pour comprendre les exoplanètes rocheuses en général."
Des planètes se forment à partir du nuage de poussière et de gaz restant après la naissance d'une étoile. Les scientifiques pensent que les mondes du système solaire ont été créés par un processus appelé accrétion de galets, dans lequel de petites particules de poussière et de gaz se combinent pour créer des objets de plus en plus grands. Finalement, les noyaux des géantes gazeuses se développent suffisamment pour attirer le gaz résiduel, formant ainsi leur atmosphère épaisse. Mais les étapes exactes restent difficiles à cerner.
L'intérieur des planètes autour d'autres étoiles varie en fonction des éléments présents dans cet environnement particulier. Le fait de trier ces différences pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre les premières étapes de la formation de la planète.
Représentation artistique d'une exoplanète rocheuse, de la taille de la Terre, en orbite autour d'une autre étoile. (NASA Ames / JPL-Caltech / T. Pyle) "Il n'y a aucune raison pour que le système solaire soit différent des exoplanètes, et inversement", déclare Colon. "Nous sommes tous des planètes, nous avons donc tous été formés de manière similaire. La compréhension de ces planètes est une autre étape du processus qui permet d'obtenir une vue d'ensemble."
Mais même avec des processus de formation similaires, Bodman soupçonne les planètes entourant d’autres étoiles de ne pas sembler si familières. "La composition d'un système exoplanète pourrait être sensiblement différente de celle du système solaire", dit-elle.
Bien que Webb ne puisse découvrir que des informations sur la composition des exoplanètes, des instruments sophistiqués pourraient un jour permettre à des planètes en décomposition de se révéler encore plus sur elles-mêmes. À mesure que les planètes s'érodent, les astronomes pourraient avoir un aperçu sans précédent de leurs intérieurs, peut-être même jusqu'au cœur. "En théorie, nous pourrions en savoir plus sur ces exoplanètes que même sur la Terre, et certainement plus que sur les autres planètes du système solaire", a déclaré Bodman.
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Contrairement aux étoiles, qui peuvent briller pendant des dizaines de milliards d’années, les mondes déchiquetés ne restent que relativement peu de temps. Les simulations suggèrent que des planètes comme K2-22 ne disposent que d'environ 10 millions d'années avant d'être complètement détruites. Et comme les trois mondes gravitent autour de trois milliards d'années, ils ne sont probablement plus dans leur position actuelle.
Bodman et Colon pensent que les planètes condamnées se sont probablement formées loin dans leur système, puis ont migré vers l'intérieur avec le temps. Des interactions avec d'autres planètes auraient pu les propulser dans leurs trajectoires fatales, bien que ces trois planètes en désintégration soient les seuls satellites connus de leurs étoiles hôtes. Bodman dit qu'il est probable que les mondes n'ont que récemment commencé une orbite rapprochée de leurs étoiles, mais la façon dont ils y sont arrivés reste une question ouverte.
La courte durée de vie d'une planète en cours de désintégration, seule une longue période dans la vie d'une étoile, explique probablement pourquoi si peu de ces mondes ont été découverts. "Ils sont vraiment rares", dit Bodman.
Les deux femmes s'accordent sur le fait qu'il existe de bonnes chances qu'une ou deux autres exoplanètes en décomposition soient contenues dans les données de Kepler, en particulier les résultats les plus récents de K2. Et le satellite TES (Transiting Exoplanet Survey Satellite) récemment lancé, qui a déjà trouvé des centaines de nouvelles planètes, en produira encore plus.
"Je pense qu'il faudra un peu de temps pour tout passer au crible, mais j'espère que nous en trouverons davantage", a déclaré Colon.
