Communiqué de presse

De l’eau probablement en abondance sur les planètes du système TRAPPIST-1

Premier aperçu de la composition d’exoplanètes de type Terre

5 février 2018

Une nouvelle étude révèle que les sept planètes en orbite autour de la naine ultra-froide et proche TRAPPIST-1 sont principalement composées de roches, et que certaines d’entre elles pourraient potentiellement contenir de l’eau en quantités supérieures à la Terre. Les densités des planètes, désormais plus précisément connues, laissent à penser que certaines de ces planètes pourraient être composées d’eau à hauteur de 5 pour cent de leur masse – à comparer aux océans terrestres qui ne constituent que 0.02% de la masse de la Terre. Les planètes les plus chaudes situées à plus grande proximité de leur étoile hôte sont susceptibles d’être environnées d’atmosphères de vapeur de densité élevée. Les plus distantes d’entre elles sont probablement recouvertes de glace. En termes de taille, de densité et de quantité d’ensoleillement, la quatrième planète apparaît comme la plus semblable à la Terre. Elle est certainement la plus rocheuse des sept planètes et a une température compatible avec de l’eau liquide à sa surface.

Des planètes en orbite autour de l’étoile rouge TRAPPIST-1 distante de 40 années-lumière de la Terre, ont été pour la première fois détectées en 2016 par le télescope TRAPPIST-South installé à l’Observatoire de La Silla de l’ESO. L’année suivante, des observations plus poussées menées au moyen de télescopes au sol tels le Very Large Telescope de l’ESO et le Spitzer Space Telescope de la NASA, ont montré que le système était composé d’au moins sept planètes dont la taille avoisine celle de la Terre. Elles furent baptisées TRAPPIST-1b, c, d, e, f, g et h, selon leur distance croissante à l’étoile centrale [1].

Des observations complémentaires viennent d’être effectuées à la fois avec des télescopes au sol parmi lesquels l’Observatoire de Paranal de l’ESO avec l’instrument SPECULOOS pratiquement terminé et les télescopes spatiaux de la NASA Spitzer Space Telescope et Kepler Space Telescope. Une équipe de scientifiques pilotée par Simon Grimm de l’Université de Berne en Suisse a ensuite appliqué les méthodes avancées de modélisation numérique à l’ensemble des données disponibles et en a déduit les valeurs de densité des planètes avec une précision supérieure à celle précédemment obtenue [2].

Simon Grimm revient sur la méthode de détermination des masses planétaires : “Les planètes du système TRAPPIST-1 sont situées à si grande proximité les unes des autres qu’elles interagissent au plan gravitationnel, de sorte que les instants auxquels elles passent devant leur étoile hôte se décalent progressivement. Ces décalages dépendent de la masse des planètes, de leurs distances respectives ainsi que d’autres paramètres orbitaux. Aidés d’un modèle informatique, nous sommes en mesure de simuler les orbites planétaires, de faire coïncider les transits calculés avec les valeurs observées, et donc d’en déduire les masses planétaires.”

Eric Agol, l’un des membres de l’équipe, explique l’intérêt des résultats obtenus : “Les études portant sur les exoplanètes ont depuis un certain temps pour objectif de déterminer la composition des planètes dont les dimensions et la température sont semblables à celles de la Terre. La découverte du système TRAPPIST-1 d’une part, les capacités des installations de l’ESO au Chili et du Télescope Spatial Spitzer de la NASA d’autre part, nous ont permis d’y parvenir – nous disposons désormais du tout premier aperçu de la composition d’exoplanètes de taille terrestre !”

Les mesures des densités, lorsqu’elles sont combinées aux modèles de compositions des planètes, suggèrent que les sept planètes du système TRAPPIST-1 ne sont pas des mondes rocheux stériles. Ils semblent être composés de matière volatile, probablement de l’eau [3], en quantités significatives – pouvant parfois atteindre 5% de la masse planétaire ; à titre comparatif, la quantité d’eau sur Terre ne représente que 0,02% de sa masse.

“Bien qu’elles nous renseignent sur les compositions planétaires, les valeurs de densités ne révèlent rien concernant l’habitabilité potentielle de ces planètes. Toutefois, cette étude constitue un pas important, dans la mesure où nous continuons d’explorer ce facteur d’habitabilité”, précise Brice-Olivier Demory, co-auteur à l’Université de Berne.

Les planètes intérieures TRAPPIST-1b et c sont vraisemblablement composées d’un noyau rocheux et entourées d’une atmosphère plus épaisse que celle de la Terre. TRAPPIST-1d est la moins massive des planètes – sa masse n’excède pas le tiers de la masse terrestre. Les scientifiques n’ont pu déterminer avec certitude la présence d’une atmosphère étendue, d’un océan ou d’une couche de glace en surface.

Les scientifiques ont été surpris de constater que  TRAPPIST-1e est la seule planète du système dont la densité avoisine celle de la Terre, laissant à penser qu’elle est vraisemblablement dotée d’un noyau de fer plus dense et qu’elle n’a pas nécessairement une atmosphère épaisse, un océan ou une couche de glace en surface. Le fait que TRAPPIST-1e semble de composition plus rocheuse que les autres planètes est étrange. En termes de taille, de densité et d’irradiation en provenance de son étoile, elle est la planète la plus semblable à la Terre.

TRAPPIST-1f, g et h sont suffisamment éloignées de leur étoile hôte pour que de l’eau glacée recouvre leurs surfaces. Dans l’éventualité où elles seraient dotées d’une fine enveloppe atmosphérique, la présence de molécules complexes tel le dioxyde de carbone s’avèrerait improbable.

“Il est intéressant de noter que les planètes les plus denses ne sont pas celles situées à proximité directe de l’étoile hôte, et que les planètes les plus froides ne peuvent être entourées d’une atmosphère épaisse” précise Caroline Born, co-auteure de l’étude basée à l’Université de Zurich en Suisse.

A l’avenir, le système TRAPPIST-1 continuera d’être la cible d’études avancées depuis le sol et l’espace, au moyen de nombreuses installations tels l’Extremely Large Telescope de l’ESO et le James Webb Space Telescope du consortium NASA/ESA/CSA.

Les astronomes tentent de détecter d’autres planètes autour de naines rouges semblables à TRAPPIST-1. Comme l’explique Michaël Gillon, l’un des membres de l’équipe [4] : “Ce résultat souligne tout l’intérêt d’explorer les naines froides et proches telle TRAPPIST-1, à la recherche de transits de planètes de type Terre. Tel est précisément l’objectif de SPECULOOS, notre nouvel outil de recherche d’exoplanètes qui entrera très prochainement en service à l’Observatoire de Paranal de l’ESO au Chili.”

Notes

[1] Les planètes ont été détectées au moyen de l’instrumentation ci-après : TRAPPIST-South à l’Observatoire de La Silla de l’ESO au Chili ; TRAPPIST-North au Maroc ; NASA Spitzer Space Telescope ; l’instrument HAWK-I de l’ESO sur le Very Large Telescope implanté à l’Observatoire de Paranal au Chili ; le télescope UKIRT de 3,8 mètres à Hawaï ; le télescope Liverpool de 2 mètres et le télescope William Herschel de 4 mètres à La Palma, Iles Canaries ; et le télescope SAAO d’1 mètre en Afrique du Sud.

[2] La détermination des densités des exoplanètes n’est pas chose aisée. Elle requiert la connaissance préalable des dimensions et de la masse de la planète considérée. Les planètes du système TRAPPIST-1 ont été détectées au moyen de la méthode des transits – en recherchant les variations de luminosité de l’étoile générées par le passage de la planète devant son disque. Cette méthode permet de correctement estimer la taille de la planète. La détermination de sa masse est plus ardue – en l’absence de tout autre effet, les planètes dotées de masses différentes sont caractérisées par de semblables orbites qu’aucune méthode directe ne permet de différencier. Le cas des systèmes multiplanétaires est plus simple – les planètes les plus massives déforment les orbites des autres planètes, en particulier celles des planètes les plus légères. Ce qui affecte les instants auxquels se produisent les transits. L’équipe emmenée par Simon Grimm a utilisé ces effets complexes et subtils à la fois pour estimer les masses les plus probables des sept planètes, en se basant sur un vaste corpus de données temporelles ainsi que des techniques d’analyse et de modélisation de données très sophistiquées.

[3] Les modèles utilisés tiennent également compte d’autres éléments volatils, tel le dioxyde de carbone. Toutefois, ils privilégient l’eau, sous forme de vapeur, de liquide ou de glace, le composant le plus répandu à la surface de la planète considérée constituant la plus abondante source d’éléments volatils dans les disques protoplanétaires d’abondance solaire.

[4] Le réseau de télescopes de sondage SPECULOOS est en cours de finalisation à l’Observatoire de Paranal de l’ESO.

Plus d'informations

Ce travail de recherche a fait l’objet d’un article intitulé “The nature of the TRAPPIST-1 exoplanets”, by S. Grimm et al., à paraître au sein de la revue Astronomy & Astrophysics.

L’équipe est composée de Simon L. Grimm (Université de Bern, Centre dédié à l’Espace et à l’Habitabilité, Bern, Suisse), Brice-Olivier Demory (Université de Bern, Centre dédié à l’Espace et à l’Habitabilité, Bern, Suisse), Michaël Gillon (Institut de Recherche en Sciences Spatiales, Technologies et Astrophysique, Université de Liège, Liège, Belgique), Caroline Dorn (Université de Bern, Centre dédié à l’Espace et à l’Habitabilité, Bern, Suisse; University de Zurich, Institut des Sciences de l’Informatique, Zurich, Suisse), Eric Agol (Université de Washington, Seattle, Washington, Etats-Unis; Laboratoire Planétaire Virtuel de l’Institut d’Astrobiologie de la NASA, Seattle, Washington, Etats-Unis; Institut d’Astrophysique de Paris, Paris, France), Artem Burdanov (Institut de Recherche en Sciences Spatiales, Technologies et Astrophysique, Université de Liège, Liège, Belgique), Laetitia Delrez (Laboratoire Cavendish, Cambridge, Royaume-Uni; Institut de Recherche en Sciences Spatiales, Technologies et Astrophysique, Université de Liège, Liège, Belgique), Marko Sestovic (Université de Bern, Centre dédié à l’Espace et à l’Habitabilité, Bern, Suisse), Amaury H.M.J. Triaud (Institut d’Astronomie, Cambridge, Royaume-Uni; Université de Birmingham, Birmingham, Royaume-Uni), Martin Turbet (Laboratoire de Météorologie Dynamique, IPSL, Sorbonne Universités, UPMC Univ Paris 06, CNRS, Paris, France), Émeline Bolmont (Université Paris Diderot, AIM, Sorbonne Paris Cité, CEA, CNRS, Gif-sur-Yvette, France), Anthony Caldas (Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux, Univ. Bordeaux, CNRS, Pessac, France), Julien de Wit (Département des Sciences de la Terre, de l’Atmosphère et des Planètes, Institut de Technologie du Massachusetts, Cambridge, Massachusetts, Etats-Unis), Emmanuël Jehin (Institut de Recherche en Sciences Spatiales, Technologies et Astrophysics, Université de Liège, Liège, Belgique), Jérémy Leconte (Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux, Univ. Bordeaux, CNRS, Pessac, France), Sean N. Raymond (Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux, Univ. Bordeaux, CNRS, Pessac, France), Valérie Van Grootel (Institut de Recherche en Sciences Spatiales, Technologies et Astrophysique, Université de Liège, Liège, Belgique), Adam J. Burgasser (Centre d’Astrophysique et des Sciences Spatiales, Université de Californie San Diego, La Jolla, Californie, Etats-Unis), Sean Carey (IPAC, Institut de Technologie de Californie, Pasadena, Californie, Etats-Unis), Daniel Fabrycky (Département d’Astronomie et d’Astrophysique, Univ. de Chicago, Chicago, Illinois, Etats-Unis), Kevin Heng (Université de Bern, Centre dédié à l’Espace et à l’Habitabilité, Bern, Suisse), David M. Hernandez (Département de Physique et Institut Kavli dédié à l’Astrophysique et à la Recherche Spatiale, Institut de Technologie du Massachusetts, Cambridge, Massachusetts, Etats-Unis), James G. Ingalls (IPAC, Institut de Technologie de Californie, Pasadena, Californie, Etats-Unis), Susan Lederer (Centre Spatial Johnson de la NASA, Houston, Texas, Etats-Unis), Franck Selsis (Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux, Univ. Bordeaux, CNRS, Pessac, France) et Didier Queloz (Laboratoire Cavendish, Cambridge, Royaume-Uni).

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Contacts

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Courriel: simon.grimm@csh.unibe.ch

Brice-Olivier Demory
SAINT-EX Research Group, University of Bern, Center for Space and Habitability
Bern, Switzerland
Tél: +41 31 631 5157
Courriel: brice.demory@csh.unibe.ch

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Ce texte est une traduction du communiqué de presse de l'ESO eso1805.