TRAPPIST-1, système planétaire

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Système planétaire Trappist-1

Système planétaire Trappist-1
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Transits d’une des exoplanètes du système Trappist-1

Transits d’une des exoplanètes du système Trappist-1
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Système planétaire Trappist-1 : caractéristiques

Système planétaire Trappist-1 : caractéristiques
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En orbite autour de la petite étoile rouge Trappist-1, sept exoplanètes (planètes gravitant autour d’une étoile autre que le Soleil) d’une taille similaire à celle de notre planète ont été détectées entre 2015 et 2017. Situé dans notre proche environnement galactique, à 39 années-lumière de la Terre (soit quelque 370 000 milliards de kilomètres), ce système planétaire offre une opportunité d’étudier d’autres planètes telluriques que celles du Système solaire. Si la composition de ces nouveaux mondes et de leur atmosphère est encore inconnue, elle est toutefois à portée de télescope.

À la recherche d’exoterres…

Comme la plupart des exoplanètes connues, celles de Trappist-1 ont été mises en évidence par leurs transits. On appelle « transit » le passage d’une planète entre son étoile et un observateur et la baisse de luminosité apparente qu’elle provoque à chacune de ses révolutions autour de son étoile. Parmi la population d’exoplanètes qui peuplent notre Galaxie, seules sont observables par leurs transits celles dont l’orbite, vue de la Terre, intersecte leur étoile. Il faut donc surveiller un très grand nombre d’étoiles pour détecter des transits. C’est ce qui a été réalisé avec les télescopes spatiaux Corot (CNES et ESA, opérationnel de 2006 à 2014) puis Kepler (NASA, lancé en 2009). Ce dernier a notamment mesuré en continu, pendant quatre ans, la luminosité de 150 000 étoiles dans une petite portion du ciel. Kepler a permis de débusquer des milliers d’exoplanètes. Parmi elles, seules quelques dizaines ont une taille et une température proches de celles de la Terre. Pour simplifier, appelons « exoterres » ces exoplanètes dont le rayon est compris entre 0,7 et 1,6 fois celui de la Terre, et dont l’« insolation » est comprise entre 0,25 et 1,20 fois le flux d’énergie que la Terre reçoit du Soleil (valeurs qui autorisent la présence d’eau liquide en surface). Si Kepler a montré que plus d’un tiers des étoiles possèdent au moins une exoterre, celles qu’il a détectées sont trop lointaines (à des centaines d’années-lumière) pour que l’on puisse, avant longtemps, mieux les caractériser, c’est-à-dire mesurer leur masse, étudier leur atmosphère et rechercher dans leur composition les signes d’une activité biologique. Étudier ainsi les exoterres n’est envisageable, avec les instruments en développement, que pour des étoiles très proches (à moins de 100 années-lumière) et beaucoup plus petites et froides que notre Soleil.

Système planétaire Trappist-1

Système planétaire Trappist-1

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Constitué de sept exoplanètes en orbite autour d'une étoile, le système planétaire Trappist-1 est ici dans sa configuration orbitale observée le 29 septembre 2016 à 18 heures (configuration qu'avait ce système trente-neuf ans plus tôt, temps nécessaire pour que le rayonnement en... 

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… autour de naines ultrafroides

Le transit d’une exoterre devant une étoile similaire au Soleil produit une diminution de la luminosité apparente de 0,008 p. 100, variation très difficile à mesurer. Les transits sont bien plus accessibles autour d’astres plus petits et plus froids appelés naines ultrafroides. Ce terme regroupe les étoiles et naines brunes – nom donné aux astres dont la masse, inférieure à 0,07 masse du Soleil, ne permet pas la fusion de l’hydrogène – et dont la température est inférieure à 2 700 kelvins. Une naine ultrafroide dont la masse ne fait qu’un douzième de celle du Soleil a un rayon 7,5 fois moindre que celui de notre étoile. Les transits d’une exoterre devant une aussi petite étoile produisent une baisse de luminosité de 0,6 p. 100, ce qui est largement mesurable. Ces transits y sont par ailleurs plus fréquents, la période orbitale étant plus courte, et la probabilité que le système ait une orientation produisant des transits observables (donnée par le rapport entre rayon de l’étoile et distance étoile-planète) est plus élevée. Ainsi, si l’on observe mille étoiles de la taille du Soleil qui possèdent toutes une exoterre, seuls cinq systèmes produisent statistiquement des transits, qui se répètent tous les trois cent soixante-cinq jours environ mais, si l’on observe mille étoiles parmi les plus petites, chacune dotée d’une exoterre, trente-cinq présenteront des transits et ceux-ci se répéteront environ tous les quatre jours.

Transits d’une des exoplanètes du système Trappist-1

Transits d’une des exoplanètes du système Trappist-1

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Ce schéma permet de comparer les transits de la Terre devant le Soleil avec les transits de l'exoplanète Trappist-1f devant son étoile (naine ultrafroide). Le Soleil, l'étoile Trappist-1, la Terre et Trappist-1f (dont la taille et la température sont similaires à celles de la Terre, d'où le... 

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Lors d’un transit, on peut analyser par spectroscopie le rayonnement absorbé par l’atmosphère. L’éclipse (quand l’étoile cache la planète) permet quant à elle de distinguer la lumière provenant de la planète de celle de l’étoile (en comparant le signal avant et pendant l’éclipse). On peut ainsi obtenir un spectre de la lumière émise ou réfléchie par la planète et y rechercher les signatures spectroscopiques liées à son atmosphère. Il a ainsi été possible de caractériser l’atmosphère de planètes géantes gazeuses très chaudes, mais le signal atmosphérique d’une exoterre est pour l’instant hors d’atteinte des instruments d’observation. Toutefois, pour des planètes qui transitent des naines ultrafroides, ces observations sont envisageables avec le télescope spatial James-Webb (James Webb Space Telescope ou JWST ; NASA/ESA) qui sera lancé fin 2018.

Il est donc fondamental de rechercher les transits d’éventuelles exoterres en orbite autour de petites étoiles proches, cibles difficiles car peu brillantes dans le rayonnement visible. À la tête d’une équipe internationale, Michaël Gillon, de l’université de Liège, s’est lancé dans cette quête avec Trappist (Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope), un télescope robotique de seulement 60 centimètres de diamètre, mais sensible à la lumière infrarouge proche. Ce projet a abouti à la découverte du système planétaire Trappist-1, démontrant ainsi que cette recherche était possible depuis le sol avec des moyens modestes.

Découverte du système planétaire de Trappist-1

Installé sur le site de l’Observatoire européen austral (European Southern Observatory ou ESO) à La Silla, au Chili, le télescope Trappist a enregistré à la fin de l’année 2015 les transits d’au moins trois exoplanètes telluriques en orbite autour de la naine ultrafroide 2MASS J23062928-0502285. Dans un article publié dans la revue anglaise Nature en mai 2016, Michaël Gillon et ses collaborateurs présentent ce nouveau système planétaire dans lequel deux planètes (la plus proche de l’étoile étant nommée « b » et l’autre « c ») sont bien identifiées tandis qu’au moins une autre planète est responsable de transits dont la périodicité n’est alors pas établie. Comme le veut la tradition, l’étoile hôte est renommée Trappist-1.

Afin de déterminer la période orbitale de cette troisième planète et d’en rechercher d’autres, la NASA accorde exceptionnellement vingt jours d’observation continue avec le télescope spatial infrarouge Spitzer. Obtenues en automne 2016, les données de Spitzer conduisent à une nouvelle publication dans Nature en février 2017. Elles révèlent un total de trente-quatre transits répartis en six périodes différentes, ce qui implique l’existence de quatre planètes supplémentaires (d, e, f et g) en plus des deux connues. Toutes ont une taille comparable à celle de la Terre (rayon compris entre 0,79 et 1,15 RTerre). Les données montrent aussi le transit isolé d’une septième planète (h), la plus petite (rayon de 0,78 RTerre) et la plus lointaine, dont la période sera prédite théoriquement et confirmée en 2017 grâce au télescope spatial Kepler.

Système planétaire Trappist-1 : caractéristiques

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Ce tableau rassemble les principales caractéristiques connues des sept exoplanètes en orbite autour de l'étoile ultrafroide Trappist-1. … 

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Un système planétaire d’une étonnante richesse

Ce système est exceptionnel par bien des aspects. Au moins trois de ses planètes (e, f et g) ont une « insolation » compatible avec la présence d’eau liquide en surface. La recherche d’une atmosphère avec le télescope JWST sera donc passionnante. Les orbites sont par ailleurs en résonance les unes avec les autres : deux planètes successives ont des périodes orbitales commensurables, c’est-à-dire que leur rapport peut s’écrire n/pn et p sont de petits nombres entiers. Autrement dit, lorsque la planète la plus interne fait p révolutions, la suivante en fait n. Ces résonances correspondent à des configurations orbitales stables dans lesquelles les planètes se sont retrouvées capturées au cours de leur migration dans le disque de gaz et de poussière où elles se sont formées. On retrouve ce type de configuration pour les satellites des planètes géantes du Système solaire.

Le système de Trappist-1 est d’une compacité extrême, les sept exoplanètes connues étant confinées dans un rayon de l’ordre de six centièmes de la distance Terre-Soleil. Les forces de marée exercées par l’étoile sont considérables et, de ce fait, les planètes doivent certainement toujours présenter la même face à leur étoile, en une rotation dite synchrone. Les interactions gravitationnelles entre les planètes sont suffisamment fortes pour générer des irrégularités mesurables dans le mouvement orbital. Les transits se produisent ainsi avec des retards ou des avances par rapport à leur périodicité moyenne. La mesure de ces écarts devrait permettre de contraindre précisément les masses, et donc la densité de ces planètes. On pourra ainsi déterminer si celles-ci sont de nature essentiellement rocheuse (tellurique) comme la Terre ou constituées d’une grande fraction d’eau comme certains satellites de Jupiter et Saturne.

Représentant un véritable laboratoire pour la planétologie et l’exobiologie, le système Trappist-1 permettra d’étendre notre connaissance concernant la formation, la composition et l’habitabilité des planètes telluriques, pour l’instant essentiellement construite sur la comparaison de Mercure, Vénus, la Terre et Mars. On s’attend également à trouver d’autres systèmes planétaires autour de petites étoiles proches. Pour cela, un second télescope Trappist a été installé dans l’hémisphère Nord, à l’observatoire de l’Oukaïmeden au Maroc, et inauguré à la fin de 2016, tandis que Speculoos (Search for Habitable Planets Eclipsing Ultra-Cool Stars), un ensemble de quatre télescopes d’un mètre de diamètre ayant le même objectif (recherche d’exoplanètes habitables en orbite autour d’étoiles ultrafroides), est en construction sur le site de l’ESO à Paranal au Chili.

—  Franck SELSIS

Bibliographie

M. Gillon, E. Jehin, S. M. Lederer et al., « Temperate Earth-sized planets transiting a nearby ultracool dwarf star », in Nature, vol. 533, pp. 221-224, 2016

M. Gillon, A. H. M. J. Triaud, B.-O. Demory et al., « Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1 », in Nature, vol. 542, pp. 456-460, 2017

R. Luger, M. Sestovic, E. Kruse et al., « A seven-planet resonant chain in TRAPPIST-1 », in Nature Astronomy, vol. 1, no 129, 2017.

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Écrit par :

  • : directeur de recherche au CNRS, laboratoire d'astrophysique de Bordeaux (CNRS - université de Bordeaux)

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Pour citer l’article

Franck SELSIS, « TRAPPIST-1, système planétaire », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le . URL : http://www.universalis.fr/encyclopedie/trappist-1-systeme-planetaire/