Planètes habitables: le cas de TRAPPIST-1

Ceci est la traduction d’un article écrit par Andrew LePage, physicien, paru le 3 novembre 2015 sur son blog Drew Ex Machina sur lequel il s’exprime au sujet de ses travaux passés et futurs dans les domaines de la télédétection, de l’astronautique, de l’astronomie et de l’astrobiologie. L’article original se trouve à cette adresse. Nous remercions Andrew pour ce partage.\n\n \n\n\n\n \n\nAu cours des dernières années, nous avons assisté à une véritable avalanche de découvertes de planètes extrasolaires grâce à la mission Kepler de la NASA qui surveille les baisses régulières de la luminosité des étoiles causées par les transits planétaires. Mais en plus de Kepler, il existe également des programmes basés au sol recherchant des planètes transitant de petites étoiles naines, plus faciles à détecter. L’un de ces programmes, géré par l’observatoire européen austral (ESO), appelé TRAPPIST (TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope), a récemment débusqué trois exoplanètes de la taille de la Terre orbitant une étoile naine ultrafroide proche, désormais appelés TRAPPIST-1. Cette première découverte du genre est importante car elle suggère que les planètes de ce gabarit pourraient être communes autour de ces très petites étoiles. Et compte tenu de la diminution relativement importante de la luminosité apparente causée par les transits de ces petites étoiles, il sera plus facile d’étudier les atmosphères de ces mondes en utilisant les instruments actuels ou futurs par rapport aux mondes semblables orbitant des étoiles de type solaire.\n\n \n\n

Le télescope robotique de 0.6 mètres TRAPPIST à l’Observatoire de La Silla de l’ESO au Chili a été utilisé pour repérer les transits de trois planètes Terre taille en orbite autour d’une étoile naine ultrafroide proche. (E. Jehan / ESO)
\n\n \n\nCette découverte est importante car elle pourrait nous apprendre beaucoup sur les planètes de taille terrestre. Mais elle a malheureusement été accompagnée d’un important battage médiatique comme on le voit même dans le titre du communiqué de presse de l’ESO annonçant cette découverte: « Trois mondes potentiellement habitables découverts autour d’une étoile naine extrêmement froide proche du système solaire« . Une telle affirmation sensationnelle sonne trop belle pour être vraie et doit être examinée de manière plus approfondie pour être vérifiée.\n\n \n

Contexte

\nTRAPPIST-1 (également appelée 2MASS J23062928-0502285) est une étoile naine ultrafroide de type spectral M8 situé 39 années-lumière dans la constellation du Verseau avec un magnitude V de seulement 18.8. On estime que cette étoile a une luminosité de 0.0005 fois celle du Soleil et un rayon de 0.115 RS. Avec une masse estimée à seulement 0.08 fois celle du Soleil et une température de surface de 2700 K, TRAPPIST-1 est a presque la plus petite taille possible pour une étoile de la séquence principale – plus petite, ce serait une naine brune qui se refroidirait et se ternirait car incapable de fusionner l’hydrogène dans son noyau. Déterminer l’âge de ces petites étoiles est difficile car elles évoluent très lentement sur des dizaines de milliards d’années, mais on estime qu’elle a au moins une demi milliard d’année et probablement beaucoup plus.\n\n \n\n

Carte indiquant la position de TRAPPIST-1 dans la constellation du Verseau. Cliquer sur l’image pour l’élargir. (ESO / UAI et Sky & Telescope)
\n\n \n\nTRAPPIST-1 est l’une des 60 étoiles naines ultrafroides du ciel austral dont l’éclat est surveillé régulièrement par le télescope TRAPPIST de 0.6 mètres situé à l’ESO à La Silla, au Chili. L’un des objectifs de ce projet, dirigé par l’Université de Liège en collaboration avec l’Observatoire de Genève, est de surveiller la luminosité des étoiles naines ultrafroides avec des types spectraux plus tardifs que M5 afin de détecter des transits de planètes en orbite, ainsi que surveiller à haute fréquence la variabilité de ces étoiles. Les étoiles de ce genre sont idéales pour la recherche de transits planétaires depuis le sol étant donné leur petite taille qui se traduit par de plus grandes baisses de luminosité lors du transit d’une planète d’une taille donnée (augmentant ainsi la détectabilité de toutes les planètes) et des orbites plus étroites (ce qui augmente les chances que l’orbite d’une planète soit alignés par hasard pour produire un transit observable). TRAPPIST est un prototype pour une enquête photométrique plus ambitieuse appelée SPECULOOS (Search for Planets EClipsing ULtra-cOOl Stars) qui suivra la luminosité d’environ 500 des plus brillants nains ultrafroides visibles dans l’hémisphère sud depuis le site du Paranal, au Chili à partir plus de fin 2016.\n\n \n\n
Vue d’artiste montrant les tailles relatives du Soleil et l’étoile naine ultrafroide TRAPPIST-1. (ESO)
\n\n \n\nD’après la publication de l’équipe dirigée par Michaël Gillon (Université de Liège – Belgique), la luminosité de TRAPPIST-1 a été suivie à une longueur d’onde d’environ 0,9 µm environ une fois toutes les 1.2 minutes pour un total de 245 heures étalées sur 62 nuits entre 17 septembre et 28 Décembre 2015. Les courbes de luminosité contenaient un total de 11 transits dont chacun a diminué la luminosité apparente de l’étoile hôte d’environ 1%. Le suivi des observations a été fait à des longueurs d’onde visibles en utilisant le Himalayan Chandra Telescope de deux mètres en Inde et dans l’infrarouge à l’aide de l’un des télescopes de 8 mètres VLT de l’ESO au Chili et de l’UKIRT de 3.8 mètres à Hawaii. Neuf de ces transits peuvent être attribuée à une paire de planètes, TRAPPIST-1 b et c, avec des périodes orbitales de 1.51 et 2.42 jours.\n\nL’interprétation des deux transits restants est plus difficile en raison de la nature discontinue des données photométriques disponibles. Si une seule planète est responsable de ces deux événements, 11 périodes orbitales différentes allant de 4.5 jours à 72.8 jours pourraient coller aux observations, 18.2 jours étant de loin la solution la plus probable. Il est également possible que deux planètes différentes avec des orbites totalement inconnues soient responsables des observations. Cependant, Gillon et al. ne favorisent pas ce scénario parce que les principaux paramètres de ces deux transits (à savoir leur durée, leur profondeur et les paramètres d’impact) sont très semblables suggérant qu’il s’agit du même objet. Plus de données seront nécessaires pour décrire l’orbite de TRAPPIST-1 d. De toute façon, le système planétaire associé à cette étoile naine ultrafroide est de même nature à ceux trouvés autour de naines rouges plus massives.\n\n \n

Habitabilité

\nPour évaluer correctement l’habitabilité de toute planète extrasolaire, il faudrait des données détaillées sur les propriétés de cette dernière, sur son atmosphère, sa période de rotation etc. Malheureusement à ce stade précoce, les seules information généralement disponible sont les paramètres de l’orbite, une mesure approximative de sa taille ou de sa masse et certaines propriétés importantes de son soleil. Combinées avec des extrapolations théoriques des facteurs qui rendent habitable la Terre (et de ce qui rend Vénus et Mars invivables), le meilleur que nous pouvons espérer faire en ce moment est de comparer les propriétés connues des planètes extrasolaires à notre compréhension actuelle de l’habitabilité planétaire pour déterminer si une planète extrasolaire est « potentiellement habitable » ou pas. Et par « habitable », je veux dire habitable dans un sens semblable à la Terre où les conditions de surface permettent l’existence d’eau liquide à la surface. Bien qu’il puisse y avoir d’autres mondes qui pourraient posséder des environnements propices à la vie (par exemple Mars ou les océans chauffés par les marées d’Europe et d’Encelade), ceux-ci seraient bien différents.\n\nLa première caractéristique qui fournit un indice de l’habitabilité potentielle d’une planète est son rayon. Avec des rayons d’environ 1.1 fois celui de la Terre (ou RT), ces trois planètes sont dites de taille terrestre. Malheureusement, il n’y a encore aucune mesure de leurs masses qui pourrait nous donner leur densité et déterminer si elles sont des planètes telluriques comme la Terre ou des mini-neptunes riches en éléments volatiles et inhabitable dans le sens conventionnel. Selon Gillon et al. les trois planètes orbitant TRAPPIST-1 devraient produire, selon leur composition, des variations de la vitesse radiale de l’étoile de l’ordre de 0.5 à quelques mètres par seconde. Malheureusement, l’étoile est trop peu brillante aux longueurs d’onde visibles pour que la génération actuelle d’instruments puisse effectuer ces mesures avec la précision nécessaire. Mais les futurs instruments fonctionnant dans l’infrarouge devraient être en mesure de le faire.\n\nGillon et al. estiment également, sur la base de simulations dynamiques, que des planètes de masse terrestre devraient produire des variations temporelles de transit (TTVs) de l’ordre de quelques dizaines de secondes, ce qui est potentiellement décelable par une campagne de surveillance dédiée. La NASA a déclaré dans un communiqué de presse que Kepler va observer TRAPPIST-1 dans le cadre de la campagne K2 12 prévue du 15 Décembre 2016 au 4 Mars 2017. Sur la base d’observations antérieures, il semble que Kepler ai une sensibilité suffisante pour détecter les transits de TRAPPIST-1. Ce n’est donc qu’une question de temps avant que de nouvelles données, y compris une mesure des masses soient disponibles.\n\nEn attendant d’avoir une mesure de la masse des ces planètes, nous pouvons nous tourner vers les données statistiques concernant les autres planètes extrasolaires. Une analyse de la relation masse-rayon des planètes extrasolaires plus petites que Neptune effectuées par Leslie Rogers (Hubble Fellow à Caltech) suggère fortement que la transition entre les planètes principalement rocheuses comme la Terre et à prédominance gazeuse comme Neptune se situe à des rayons ne dépassant pas 1.6 RT. Avec des mensurations largement inférieures à cette limite, il semble tout à fait probable que les trois planètes de TRAPPIST-1 soient rocheuses.\n\n \n\n

La taille des trois planètes en orbite TRAPPIST-1 suggère fortement qu’elles sont rocheuses comme la Terre, comme le montre cette vue d’artiste. (ESO / M. Kornmesser / ET. Risinger)
\n\n \n\nLe point suivant est la quantité d’énergie qu’elles reçoivent de leur soleil, ou flux stellaire efficace noté Seff. Selon les travaux de Kopparapu et al. sur les limites de la zone habitable (HZ) basée sur une modélisation climatique et géophysique détaillée, la limite extérieure de la HZ conservatrice est définie par effet de serre au maximum d’une atmosphère riche en CO2, où l’ajout de plus de CO2 ne ferait plus augmenter la température de la surface d’une planète plus éloignée. Pour une étoile comme TRAPPIST-1 avec une température de surface de 2700 K, cette limite extérieure conservatrice pour la HZ avec une Seff de 0.23 correspondant à un rayon orbital moyen de 0.047 UA.\n\nLa limite intérieure de la HZ conservatrice est définie par Kopparapu et al. comme due l’emballement de l’effet de serre au delà de laquelle la température d’une planète monte en flèche et perd toute son eau dans le processus. Pour une planète en orbite autour de TRAPPIST-1, cela correspond à une Seff de 0.92 ou à une distance de 0.023 UA. Cependant, Gillon et al. ont calculé que leurs deux planètes intérieures sont susceptibles d’être des rotateurs synchrones dont la même face est perpétuellement tournée vers leur soleil. Les modélisations climatiques détaillées réalisées au cours des deux dernières décennies montrent que la rotation synchrone n’est probablement pas un obstacle à l’habitabilité comme on le pensait. En fait, il a été démontré qu’elle se traduit en fait par une augmentation de la Seff pour le bord intérieur de la HZ. Selon les travaux récents de Yang et al., Le bord interne de la HZ pour un rotateur synchrone orbitant autour d’une étoile comme TRAPPIST-1 aurait un Seff de 1.47 correspondant à une distance orbitale de 0.018 UA.\n\nLes valeurs de Seff de 4.3 et 2.3 pour TRAPPIST-1 b et c respectivement, semblent trop élevées pour considérer qu’elles orbitent à l’intérieur de la HZ conservatrice, même pour des rotateurs synchrones. Avec des insolations aussi élevées et en supposant qu’elles se soient formées avec une composition semblable à celle de la Terre, ces deux mondes ont probablement perdu la totalité de leur eau et à leur surface règnent des conditions proches de ce que l’on a sur Vénus. Bien que l’étude de ces planètes soit très prometteuse pour caractériser les atmosphères des exoplanètes de taille terrestre, il semblerait qu’elles ne soient pas aussi habitables que le suggèrent le communiqué de presse de l’ESO et quelques gros titres des médias. Il semble beaucoup plus probable que ces deux mondes soient semblables à Vénus aux niveau de leur taille, insolation, et sans doutes rotation et soient aussi stériles que Vénus elle même.\n\n \n\n
Vue d’artiste depuis TRAPPIST-1d. Comme elle orbite probablement du bord extérieur de la zone habitable, elle est susceptible d’être froide et désolée comme représentée ici. (ESO / M. Kornmesser)
\n\n \n\nLe cas de TRAPPIST-1 d est plus ambigu étant donné la nature actuellement incertaine de son orbite. Les 11 solutions possibles couvrent toute une gamme d’orbites entre l’intérieur de la HZ jusqu’au bord extérieur et au delà. Sur les huit solutions orbitales les plus probables trouvés par Gillon et al. qui vont de 0.033 à 0.093 UA, la moitié semble être au-delà du bord extérieur de la HZ y compris la solution la plus probable correspondant à 0,058 UA. En regardant les probabilités relatives des différentes solutions orbitales, il semble qu’il y ait seulement 20% de chance que les orbites de TRAPPIST-1 d soit à l’intérieur de la HZ conservatrice définie pour une rotateur synchrone de taille terrestre. Il est évident que d’autres données, notamment celles attendue de Kepler, aideront à clarifier la situation de cette planète, mais il ne semble y avoir qu’une mince possibilité que cette planète extrasolaire soit potentiellement habitable d’après nos connaissances actuelles.\n\n \n

Conclusions

\nLa découverte de trois planètes extrasolaires de taille terrestre orbitant une étoile naine ultrafroide proche est certainement important et suggère que ces mondes pourraient être communs autour de ces petites étoiles. Et étant donné la grande taille de ces planètes par rapport aux étoiles qu’elles gravitent, elle apporte la perspective unique de pouvoir étudier les atmosphères de ces astres en utilisant les instruments actuels et futurs. Mais contrairement aux allégations faites dans les médias, il semble peu probable que l’un de ces trois planètes soit potentiellement habitable. Les flux stellaires effectifs élevés reçus par les deux planètes intérieures les rapprochent plus de Vénus que de la Terre. Le cas de la planète extérieure est ambiguë et nécessitera davantage de données pour mieux définir son orbite, mais il est probable qu’elle tourne au-delà du bord extérieur de la HZ.\n\nMais que ces planètes soient réellement habitables ou pas, leur étude devrait se révéler indispensable pour caractériser les mondes orbitant ces étoiles ternes et fournir des informations importantes sur les propriétés des planètes extrasolaires en général, ainsi que de déterminer les limites réelles de la planète habitabilité.\n

Lectures complémentaires

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  • “Habitable Planet Reality Check: Terrestrial Planet Size Limit”, Drew Ex Machina, July 24, 2014 [Post]
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  • “Architecture of M-Dwarf Planetary Systems”, Drew Ex Machina, October 24, 2014 [Post]
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Références

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  1. Michaël Gillon et al., “Temperate Earth-sized Planets Transiting a Nearby Ultracool Dwarf Star”, Nature, May 2, 2016 [Preprint]
  2. \n

  3. R. K. Kopparapu et al., “Habitable zones around main-sequence stars: new estimates”, The Astrophysical Journal, Vol. 765, No. 2, Article ID. 131, March 10, 2013
  4. \n

  5. Ravi Kumar Kopparapu et al., “Habitable zones around main-sequence stars: dependence on planetary mass”, The Astrophysical Journal Letters, Vol. 787, No. 2, Article ID. L29, June 1, 2014
  6. \n

  7. Leslie A. Rogers, “Most 1.6 Earth-Radius Planets are not Rocky”, The Astrophysical Journal, Vol. 801, No. 1, Article id. 41, March 2015
  8. \n

  9. Jun Yang et al., “Strong Dependence of the Inner Edge of the Habitable Zone on Planetary Rotation Rate”, The Astrophysical Journal Letters, Vol. 787, No. 1, Article id. L2, May 2014
  10. \n

  11. “Three Potentially Habitable Worlds Found Around Nearby Ultracool Dwarf Star”, ESO Science Release 1615, May 2, 2016 [Press Release]
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  13. “Promising Worlds Found Around Nearby Ultra-cool Dwarf Star”, NASA Press Release, May 2, 2016 [Press Release]
  14. \n