Notre système solaire est il banal?

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Ceci est la traduction d’un article écrit par Andrew LePage, physicien, paru le 30 juin 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.

Avant la découvertes de la première planète extrasolaire, le seul système planétaire que nous pouvions étudier était le notre. Après des siècles de recherche, les astronomes avaient une vision claire et nette de ce à quoi devait ressembler un système planétaire: un ensemble de mondes sur des orbites circulaires et coplanaires, avec de petites planètes rocheuses orbitant là où il fait chaud et de larges mondes riches en volatiles évoluant dans les régions froides et distantes. Il y a 20 ans a été découverte 51 Pegasi b, la première exoplanète orbitant une étoile de type solaire. C’est une planète d’un type totalement inattendu,  semblable à Jupiter mais sur une orbite d’à peine trois jours. Avec la découverte d’une planète géante aussi proche de son étoile, le grand livre de la diversité planétaire a été ouvert.

La découverte en octobre 1995 de la première planète extrasolaire en orbite autour d’une étoile semblable au Soleil, 51 Pegasi b, a clairement démontré fois que les autres systèmes planétaires ne seraient pas nécessairement semblables au notre. Cliquer sur l’image pour l’agrandir. (NASA/JPL-Caltech)

Avec les milliers de planètes extrasolaires – confirmées ou non – en stock, il est devenu évident que l’architecture de notre système planétaire n’est pas universel et qu’il existe des types de planètes qui ne se rencontrent pas dans notre famille planétaire, avec des propriétés orbitales et physiques inattendues. Étant donné la diversité de planètes connues, la question qui se pose est, à quel point notre système solaire est-il banal? Est il particulier et si oui, comment cela affecte-t-il la probabilité de trouver des mondes habitables autour d’autres étoiles? Rebecca Martin (Université du Nevada – Las Vegas) et Mario Livio (space Telescope Science Institute) ont posé ces questions dans un papier en attente de publication dans The Astrophysical Journal. Dans leur étude, ils ont passé en revue la littérature scientifique disponible au sujet de planètes extrasolaires découvertes par vitesse radiale ou transit ainsi que quelques exoplanètes découvertes par d’autres méthodes comme les microlentilles gravitationnelles et l’imagerie directe. Ils ont comparé statistiquement les caractéristiques orbitales et physiques des planètes de notre système Solaire avec celles de la population actuelle de planètes extrasolaires.

Propriétés orbitales

Excentricité: Il y a un total de 539 planètes extrasolaires avec une excentricité mesurée. Les valeurs de l’excentricité des planètes du système solaire (allant de 0.0068 pour Vénus à 0.22 pour Mercure) sont relativement faibles comparées à celles de beaucoup d’exoplanètes, mais ne sont pas exceptionnelles. D’autres investigateurs ont déjà remarqué que les excentricités orbitales dans des systèmes à plusieurs planètes tendent à être en moyenne plus faibles quand le nombre de planètes augmente. En extrapolant cette tendance à un système de huit planètes comme le notre, l’excentricité des planètes du système solaire n’apparait plus du tout inhabituelle. D’autres études non abordées par Martin et Livio suggèrent que les systèmes planétaires semblent plus ou moins se séparer en deux groupes: les systèmes avec une ou parfois deux géantes gazeuses sur des orbites excentriques et mutuellement inclinées, et des systèmes à plusieurs planètes avec des orbites coplanaires. Notre système solaire semble correspondre parfaitement à la deuxième catégorie.

Demi grand axe: Il y a un total de 1580 planètes dont la taille moyenne de leur orbite (ou demi grand axe) a été mesurée. Ce total monte à 5289 si l’on compte les candidats planètes non confirmés trouvés dans les données de la mission Kepler de la NASA. En observant cet amas de données brutes, il semblerait que Jupiter soit une aberration dans la distribution des demi grands axes avec une valeur de 5 AU.

 

Ce diagramme montre la répartition des 4.696 détections de Kepler ( confirmés ou pas au 23 Juillet , 2015) en fonction de la période orbitale et du rayon de la planète . Cliquer sur l’image pour l’agrandir. (NASA Ames/W. Stenzel)

Il faut néanmoins prendre des précautions avant de tirer des conclusions prématurées de ces observations. Jupiter n’apparait sans doute inhabituel qu’à cause d’un puissant biais de sélection dont soufrent les suivis actuels. Par exemple, une grande partie des données analysées par Martin et Livio viennent des découverts de Kepler dont leurs demi grands axes ne dépassent typiquement pas 1 UA, ces données étant limitées par la durée de la mission du télescope. Trouver un analogue de Jupiter autour d’une étoile de type solaire demande des décennies de données en utilisant la méthode des transits. D’un autre coté les suivis de vitesse radiale permettent de trouver plus facilement des planètes sur de petites orbites . Certaines étoiles ont été observées suffisamment longtemps et avec assez de précision pour détecter des analogues de Jupiter. De même, la méthode des microlentilles gravitationnelles permettent de découvrir plus facilement des planètes à plusieurs UA de leurs étoiles. Une analyse statistique détaillée permet de corriger ces biais de sélections et suggèrent que Jupiter n’a rien d’exceptionnel.  Seuls les suivis futurs recherchant des planètes sur de longues orbites pourront éclaircir ce point.

Système solaire interne: En se basant sur la population d’exoplanètes connues, le système solaire interne semble spécial. Alors que la planète la plus interne, Mercure, a une orbite de 0.39 de rayon, les autres systèmes planétaire contiennent typiquement des planètes bien plus larges sur des orbites bien plus étroites. Il est difficile de quantifier  à quel point le système solaire interne est inhabituel. La différence de résultats obtenus par transit et par vitesses radiales pointe des biais de sélection subtiles  mais l’absence de planètes à l’intérieur de l’orbite de Mercure est bel et bien inhabituel. Cela trouve sans doutes son origine dans les processus de formation du système solaire et la migration planétaire (qui a été invoquée pour expliquer les propriétés de nombreux systèmes exoplanétaires) a pu jouer un rôle dans l’histoire ancienne de notre système.

Propriétés physiques

Masse: Il y a deux pics proéminents dans la distribution en masse des exoplanètes connues: un pic aux alentours de 2MJ et un autre aux alentour de 5MT. En terme de masse, Jupiter et Saturne se trouvent près du pic 2MJ des planètes massives.  Vénus  et la Terre, ainsi que Uranus et Neptune sont de part et d’autre  du pic des planètes de faible masse 5MT.  En terme de distribution de masse Jupiter et Saturne ne sont pas du tout anormaux. Néanmoins un puissant biais de sélection touche toutes les stratégies de détection et favorise la découverte de grosses planètes. Cela altère évidemment la distribution statistique des planètes les plus petites, il est donc difficile de déterminer si les planètes rocheuses du système solaire sont courantes. De plus, les relevés actuelles sont incapables de détecter des analogues d’Uranus et de Neptune sur leurs distantes orbites.  Cela dit en terme de masse il ne semble pas que les planètes rocheuses ou les géantes de glace de notre système solaire soient rares.

 

Notre système solaire est quelque peu inhabituel car il manque de « super-terres », des mondes de taille intermédiaire entre la Terre et Neptune. (NASA)

Ce qui apparait évident en regardant la distribution des exoplanètes selon leur masse est l’absence de « super-terres » dans le système solaire. Ces mondes ont une masse inférieure à 10MT et n’incluent pas seulement les plus grosses planètes rocheuses mais aussi les « mini-neptunes » riches en volatiles. Plusieurs analyses statistiques  de plusieurs relevés d’exoplanètes suggèrent que la moitié des systèmes planétaires contiennent des super-terres, notamment sur de très petites orbites. Cette absence rend le système solaire quelque peu spécial et pourrait nous éclairer sur la formation de notre système.

Densité: Lorsque l’on regarde la répartition de la densité de la planète en fonction de sa masse , Jupiter et Saturne correspondent parfaitement à la tendance générale pour les planètes géantes (voir « Nouvelle définition de géante gazeuse »). Pour les planètes moins massives jusqu’aux  super-terres, il y a une dispersion significative de la densité reflétant une variation intrinsèque de la composition de ces mondes avec divers rapports de roche, d’eau et d’autres substances volatiles. Mais encore une fois Uranus et Neptune suivent parfaitement la tendance pour les planètes de leur type.

 

Ci dessus un diagramme de la densité en fonction de la masse de planètes et d’étoiles. Cliquez sur l’image pour l’agrandir. (Hatzes & Rauer)

 

Conclusion:

Les planètes extrasolaires commencent à révéler leur véritable diversité malgré les importants biais de sélections inhérents à chaque méthode de détection utilisée. Malgré cette limitation, la conclusion de Martin et Livio basée sur les analyses statistiques est que de manière générale les propriétés physiques des planètes du système solaire sont dans les normes malgré l’étrange absence de super-terres. En terme de propriétés orbitales, le système solaire est assez unique de par l’absence de planètes à l’intérieur de l’orbite de Mercure. Bien que les excentricités orbitales des planètes du système solaire soient assez basses en moyenne, elles n’ont rien d’anormal comparées à celles observées dans les autres systèmes à plusieurs planètes. Il est prématuré de conclure, mais il semble bien  que d’autres planètes rocheuses orbitent dans la zone habitable d’autres étoiles, en ce sens le système solaire n’a rien d’unique et les planètes habitables ne devraient pas être rares.

Bien que la comparaison du système solaire avec les autres systèmes planétaires puisse être très instructive, ce n’est qu’avec plus de données que l’on aura une vision plus objective, notamment en ce qui concerne les planètes les plus froides. Ces données seront amenées par un suivi en vitesse radiale d’un plus grand nombre d’étoiles pendant une longue période. La mission Gaïa de l’ESA devrait également détecter des analogues de Jupiter par astrométrie. Pour le moment, notre système solaire semble unique, mais s’inscrit dans un continuum de diversité des systèmes planétaires qui n’exclue pas l’existence de planètes habitables.

 

Lectures complémentaires:

  • “Abundance of Earth Analogs”, Drew Ex Machina, June 25, 2014 [Post]
  • “Habitable Planet Reality Check: Terrestrial Planet Size Limit”, Drew Ex Machina, July 24, 2014 [Post]
  • “Abundance of Venus Analogs”, Drew Ex Machina, September 15, 2014 [Post]
  • “Architecture of M-Dwarf Planetary Systems”, Drew Ex Machina, October 24, 2014 [Post]
  • “The Transition from Rocky to Non-Rocky Planets”, Centauri Dreams, November 14, 2014 [Post]
  • “The Composition of Super-Earths”, Drew Ex Machina, January 3, 2015 [Post]
  • “Occurrence of Potentially Habitable Planets around Red Dwarfs”, Drew Ex Machina, January 20, 2015 [Post]
  • “A Mass-Radius Relationship for ‘Sub-Neptunes’”, Centauri Dreams, May 22, 2015 [Post]
  • “A New Definition for Giant Planets”, Drew Ex Machina, June 30, 2015 [Post]

Références:

  1. Rebecca G. Martin and Mario Livio, “The Solar System as an Exoplanetary System”, arXiv 1508.00931 (accepted for publication in The Astrophysical Journal), August 4, 2015 [Preprint]

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