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Une nouvelle façon de rechercher les exomoons

Écrit par admin

Nous aimerions trouver une autre planète comme la Terre. Pas exactement comme la Terre ; c’est un peu ridicule et probablement un peu plus de science-fiction que de science. Mais et si nous pouvions en trouver un assez semblable à la Terre pour nous faire réfléchir ?

Comment pourrait-on le trouver ? Nous progressons d’une mission de recherche de planète à l’autre, en compilant une liste de planètes qui peuvent être « semblables à la Terre » ou « potentiellement habitables ». Bientôt, nous aurons le télescope spatial James Webb et sa capacité à étudier les atmosphères des exoplanètes à la recherche de signes de vie et d’habitabilité.

Mais une nouvelle étude se concentre sur les exmoons et le rôle qu’elles jouent dans l’habitabilité d’une planète. Si nous trouvons une exomoune semblable à la Lune sur une orbite stable autour de sa planète, cela pourrait-il être la preuve que la planète elle-même ressemble davantage à la Terre ? Peut-être, mais nous n’en sommes pas encore là.

Illustration de l’artiste. Crédit : R. Hurt/NASA/JPL/Caltech

Les scientifiques pensent que la relation stable entre la Terre et la Lune fait partie de ce qui rend la Terre habitable. D’une part, la Lune maintient l’inclinaison axiale de la Terre stable, ce qui favorise un climat stable. Les chercheurs savent également que de nombreux facteurs peuvent perturber la stabilité planète-lune à long terme. Dans le journal “Exomoons dans les systèmes à fort perturbateur : applications au Cen AB” les auteurs explorent les relations orbitales entre les lunes, leurs planètes et les étoiles. L’auteur principal est Billy Quarles, astrophysicien et dynamiciste planétaire de Georgia Tech. L’article est publié en Le Journal d’Astrophysique.

Dans notre propre système solaire, il y a beaucoup plus de lunes que de planètes. Il y a en moyenne 20 lunes par planète, en grande partie grâce à Jupiter et Saturne et leurs 160+ lunes combinées. Mercure et Vénus n’en ont pas, la Terre n’en a qu’un et Mars n’en a que deux, qui sont probablement des astéroïdes capturés.

Mais notre système solaire n’est pas représentatif des autres systèmes. La nôtre n’a qu’une seule étoile. Lorsque nous regardons le ciel nocturne, plus de 80 % des points lumineux que nous voyons sont en fait une paire d’étoiles – ou plus – regroupées. Les systèmes d’étoiles binaires peuvent héberger des planètes, et les planètes peuvent orbiter ces systèmes de deux manières. Circumstellaire signifie qu’une planète tourne autour d’une seule des étoiles, et circumbinaire signifie qu’une planète tourne autour des deux étoiles.

Des recherches antérieures, dont certaines menées par l’auteur principal de cette étude, Billy Quarles, ont montré que les planètes circumbinaires géantes peuvent héberger des exomoons. Mais la même chose n’a pas été trouvée pour les planètes circumstellaires dans plusieurs systèmes stellaires. Cela fait partie du but de cette étude.

Les chercheurs se sont concentrés sur notre voisin stellaire le plus proche, le système Centauri. Centauri n’est « qu’à » 4,37 années-lumière, ce qui est proche en termes astronomiques. Mais même à cette distance, les planètes sont difficiles à détecter. Et les lunes ? Presque impossible.

“Nous savons qu’ils sont là”, a déclaré le co-auteur de l’étude Siegfried Eggl dans un communiqué de presse. « Nous avons juste besoin de regarder plus fort. Mais parce qu’il est si difficile de les voir, nous avons identifié un moyen de les détecter à travers l’effet qu’ils ont sur une planète en utilisant des variations de temps de transit. »

“Nous savons que les planètes, les étoiles et les lunes de notre système solaire interagissent gravitationnellement comme un jeu de société géant”, a déclaré Eggl. « La lune interagit avec la Terre en raison de la marée et ralentit sa propre rotation, mais le Soleil est également là, tirant sur les deux. Une deuxième étoile agirait comme un autre perturbateur externe du système.

Les chercheurs ont utilisé la variation du temps de transit (TTV) pour rechercher des lunes dans le système Alpha Centauri. Alpha Centauri est un système d’étoiles triples et au moins deux planètes, toutes deux en orbite autour de l’étoile Proxima Centauri. Proxima Centauri est une naine rouge et les deux planètes sont Proxima Centauri b et Proxima Centauri c. PC b est une planète terrestre d’environ 1,17 masse terrestre, et PC c est une super-Terre, ou peut-être une mini-Neptune.

Cette infographie compare l’orbite de la planète autour de Proxima Centauri (Proxima b) avec la même région du système solaire. Proxima Centauri est plus petite et plus froide que le Soleil et la planète orbite beaucoup plus près de son étoile que Mercure. En conséquence, il se situe bien dans la zone habitable, où l’eau liquide peut exister à la surface de la planète. Crédit d’image: Palereddot.org

Les Méthode TTV mesure les minuscules remorqueurs que les corps exercent les uns sur les autres lorsqu’ils vaquent à leurs occupations orbitales. Il est le plus souvent utilisé pour trouver des exoplanètes. Lorsqu’une planète passe devant son étoile, la lumière des étoiles diminue un peu de notre point de vue. Si un autre objet exerce une force sur la planète, le moment de la gradation de la lumière des étoiles sera variable.

Si la planète a une lune, la lune exercera une petite force sur la planète, la faisant vaciller un peu. Cette oscillation peut suffire à changer le moment de la lumière des étoiles bloquée par la planète. La mesure de ces petits changements est au cœur de TTV.

Dans un système comme Alpha Centauri, avec plusieurs planètes et étoiles, il se passe beaucoup de choses et de nombreux remorqueurs à régler. Les planètes dans AC sont sur une orbite circumbinaire, ce qui signifie que les orbites sont plus elliptiques que celle de la Terre par exemple. Ainsi, certaines des variations temporelles sont causées par la planète et son orbite elliptique. D’autres variations temporelles peuvent être dues aux exomounes.

Si les observateurs peuvent déterminer lesquelles des variabilités temporelles sont dues aux exounes, ils peuvent alors déduire certaines des propriétés de la planète et de sa lune. “C’est une preuve indirecte d’une lune parce qu’il n’y a rien d’autre qui puisse tirer sur la planète de cette manière”, a déclaré Eggl.

Il est difficile de démêler toutes les variables dans un système à étoiles multiples comme Alpha Centauri. Les orbites elliptiques rendent la tâche plus difficile car la planète et sa ou ses lunes peuvent se déplacer à des vitesses différentes. « Lorsque les lunes et les planètes ont des orbites légèrement elliptiques, elles ne se déplacent pas toujours à la même vitesse. Plus une orbite est excentrique, plus les fréquences peuvent être excitées, et nous voyons ces résonances devenir de plus en plus importantes », a déclaré Eggl.

Cette vue d’artiste montre la planète Proxima b en orbite autour de l’étoile naine rouge Proxima Centauri, l’étoile la plus proche du système solaire. L’étoile double Alpha Centauri AB apparaît également dans l’image entre la planète et Proxima elle-même. Proxima b est un peu plus massive que la Terre et orbite dans la zone habitable autour de Proxima Centauri, où la température est propice à l’existence d’eau liquide à sa surface. Crédit : ESO/M. Kornmesser

À un moment donné, les résonances peuvent se chevaucher et rendre l’ensemble du système un peu chaotique. Mais même dans le chaos, il devrait y avoir des périodes de stabilité. «À un moment donné, il y aura des résonances qui se chevauchent qui peuvent conduire au chaos dans le système. Dans notre étude, nous avons cependant montré qu’il existe suffisamment de « biens immobiliers » stables pour mériter une recherche approfondie des lunes autour des planètes dans les systèmes à double étoile », a déclaré le co-auteur Eggl.

Cette étude vise l’immobilier stable sur l’orbite d’une planète dans un système à trois corps, où il y a deux étoiles et une planète. Là où la planète est stable, il y a comme une autre hiérarchie imbriquée à trois corps entre l’étoile binaire, la planète et sa lune. Il y a plus : « De plus, une étoile secondaire orbite autour du centre de masse d’un système à trois corps à une distance telle que l’orbite planétaire reste stable pour produire une configuration hiérarchique à quatre corps », écrivent les auteurs. Les auteurs disent que vous pouvez considérer l’ensemble de l’arrangement comme deux problèmes à trois corps qui sont des couples ensemble.

L’auteur principal Quarles a utilisé les marées de l’océan ici sur Terre pour expliquer leurs efforts. « La principale différence avec les systèmes binaires est que l’étoile compagne agit comme la marée sur la plage, où elle entre périodiquement et grave le front de mer. Avec une orbite binaire plus excentrique, une plus grande partie de l’« immobilier » stable est supprimée. Cela peut beaucoup aider dans notre recherche de lunes dans d’autres systèmes stellaires. »

L’un des problèmes centraux derrière ce travail n’est pas seulement d’identifier les exomounes, mais de déterminer leur longévité. La longévité d’une lune peut contribuer à l’habitabilité à long terme d’une planète. C’est ce qui s’est passé ici sur Terre. Mais il existe de nombreuses raisons pour lesquelles une lune peut être éjectée ou s’échapper de l’emprise orbitale de sa planète. Les orbites excentriques dans un système d’étoiles binaires sont l’une des principales raisons. L’une des étoiles d’un système binaire agit comme un perturbateur, éloignant la lune de sa planète.

La Lune joue un grand rôle dans l'habitabilité de la Terre.  La même chose est probablement vraie dans d'autres systèmes solaires.  Crédit d'image : NASA SVS/Ernie Wright.  Crédit d'image : NASA SVS/Ernie Wright

La Lune joue un grand rôle dans l’habitabilité de la Terre. La même chose est probablement vraie dans d’autres systèmes solaires. Crédit d’image : NASA SVS/Ernie Wright

Des modèles scientifiques montrent que la dissipation des forces de marée entre une planète et sa lune peut libérer un satellite de sa planète hôte. Lorsque l’équipe a appliqué ces modèles au système Alpha Centauri, elle a découvert que l’étoile Alpha Centauri A agit comme un pertuber et conduit à plus d’excentricité dans l’orbite de la planète terrestre Alpha Centauri B. Cela peut conduire à n’importe quelle lune en orbite autour du planète devenant instable sur des échelles de temps de 10 Gyr. Mais pas toujours. Ils ont également découvert que les exomoons peuvent résister à certains des forçages excentriques et rester stables.

Donc qu’est-ce que tout cela veut dire? A quoi cela mène-t-il ?

En étudiant le TTV de la planète Terre-analogique dans Alpha Centauri, l’équipe a développé des contraintes sur ce à quoi pourrait ressembler une configuration Terre-Lune dans d’autres systèmes solaires binaires. Le TTV pour un combo Terre-Lune dans d’autres systèmes pourrait être très petit. Il pourrait être aussi petit que certains des TTV détectés par la mission Kepler dans des systèmes solaires lointains. Certaines de ces détections sont probablement du bruit astronomique, d’autres sont probablement des preuves d’exmoons.

Trouver des exmoons et comprendre leur longévité pourrait s’avérer être une méthode critique pour évaluer l’habitabilité potentielle des planètes, tout comme la position d’une planète dans la zone habitable d’une étoile.

“Si nous pouvons utiliser cette méthode pour montrer qu’il existe d’autres lunes, alors il existe probablement d’autres systèmes similaires au nôtre”, a déclaré Quarles. « La lune est également probablement critique pour l’évolution de la vie sur notre planète, car sans la lune, l’inclinaison de l’axe de la Terre ne serait pas aussi stable, ce dont les résultats seraient préjudiciables à la stabilité climatique. D’autres études évaluées par des pairs ont montré la relation entre les lunes et la possibilité d’une vie complexe. »

La source: Univers aujourd’hui, par Evan Gough.




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