Les collisions cosmiques donnent des indices sur la formation d’exoplanètes

Certains des meilleurs films sont des histoires d’origine. Lorsque nous savons d’où vient un super-héros, nous pouvons alors comprendre pourquoi il fait ce qu’il fait. Il en va de même pour les planètes : savoir comment elles se sont formées est essentiel pour comprendre leur structure interne, leur géologie et leurs climats. Nous en savons beaucoup sur la formation de la Terre après des décennies d’analyse de météorites et de roches lunaires. Nous pensons que les phases finales de la croissance de la Terre ont impliqué des collisions titanesques, dont la dernière a produit un disque de roche vaporisée qui a fusionné dans la lune.

Mais qu’en est-il des milliers de planètes que nous avons trouvées autour d’autres étoiles ? se sont-ils formés comme la Terre ? Répondre à cette question peut sembler sans espoir car nous n’aurons jamais de roches de ces planètes à analyser. Mais il peut y avoir une autre voie, et cette voie est importante car elle nous donne l’occasion rare de comparer l’histoire des origines de notre planète avec celles des exoplanètes rocheuses.

Dans une étude récente publiée dans Astronomie naturelle, nous avons utilisé l’architecture orbitale d’un système d’exoplanètes pour comprendre comment les planètes pourraient se former, en utilisant le système TRAPPIST-1 comme exemple. Ce système est emblématique parmi les exoplanètes : il contient sept planètes connues, chacune proche de la taille de la Terre et dont trois reçoivent une quantité d’énergie similaire de leur minuscule étoile rouge à celle que reçoit la Terre du Soleil.

Aux fins de notre analyse, une caractéristique clé de TRAPPIST-1 est orbitale résonance. Après un certain nombre d’orbites, chaque paire de planètes voisines se réaligne. Par exemple, parmi la paire extérieure de planètes, appelées g et h, l’alignement orbital répète toutes les trois orbites de la planète g et deux orbites de la planète h ; c’est un 3:2 résonance Chaque paire adjacente est dans une résonance similaire. Ensemble, les sept planètes participent à cette danse orbitale, formant un chaîne résonnante.

Au paintball, chaque fois qu’une personne est touchée, l’impact laisse une goutte de peinture, vous pouvez donc savoir en un coup d’œil à quelle fréquence un joueur se fait tirer dessus. De même, les surfaces des planètes et des lunes conservent les traces d’impacts ; lorsqu’un objet venu de l’espace s’écrase, il explose et laisse derrière lui un cratère. Vous pouvez voir les plus grands cratères de la Lune à l’œil nu ; Tycho est l’un des plus dramatiques.

Nous voulions déterminer la quantité de déchets spatiaux, c’est-à-dire les restes d’astéroïdes et de comètes, qui auraient pu bombarder les planètes TRAPPIST-1. Un élément clé de notre étude était de calculer exactement la fragilité des résonances orbitales du système. Il s’avère que les résonances sont extrêmement faciles à casser. Lorsqu’un astéroïde ou une comète entre en collision avec une planète, ou même passe à proximité, l’orbite de la planète se déplace un peu. Additionnez quelques-uns de ces changements et les orbites des planètes voisines sont suffisamment éloignées pour perdre leur résonance. À partir de ce moment, ils ne peuvent plus jamais se réaligner.

À l’aide de simulations orbitales, nous avons déterminé combien de débris spatiaux seraient entrés en collision avec chaque planète TRAPPIST-1 si les résonances du système avaient été perdues. Bien sûr, les résonances de TRAPPIST-1 étaient Remarque perdu; ils ont survécu pendant des milliards d’années depuis la formation des planètes, et nous les observons aujourd’hui. TRAPPIST-1 est comme un joueur de paintball portant une tenue encore presque parfaitement propre. Nos simulations nous montrent le “scénario du pire” ; la quantité maximale de matière qui aurait pu impacter l’une des planètes TRAPPIST-1 depuis leur formation est minuscule (en termes cosmiques), moins de 1% de la masse de la Terre. Pas plus que cela aurait définitivement perturbé les résonances que nous voyons aujourd’hui.

Parce qu’il y a eu si peu d’impacts, les planètes TRAPPIST-1 ont dû croître beaucoup plus vite que la Terre. Des résonances comme celle de TRAPPIST-1 se forment par migration orbitale, alors que les orbites des planètes en croissance se rétrécissent lentement en interagissant avec le disque gazeux formant la planète. Une fois le disque parti, les résonances peuvent se briser mais elles ne peuvent pas se reformer. Ainsi, le système TRAPPIST-1 a dû être entièrement formé au cours de la durée de vie du disque de son étoile, soit quelques millions d’années seulement. Il y eut tout au plus un léger bombardement au cours des milliards d’années qui suivirent.

En revanche, l’analyse des roches terrestres et lunaires indique que la collision de la taille d’une planète qui a formé la lune a eu lieu environ 100 millions d’années après le début de la formation du système solaire. Les planètes TRAPPIST-1 ont peut-être connu de telles collisions géantes, mais seulement très tôt dans leur histoire, avant que la chaîne de résonance ne soit gravée dans le marbre. Nous ne comprenons pas entièrement comment ces différentes voies de formation affectent l’évolution interne, la géologie et le climat des planètes TRAPPIST-1 par rapport à la Terre, mais c’est un domaine d’étude actif. Par exemple, il est possible que leur croissance rapide augmente considérablement la quantité d’eau qui pourrait être stockée dans les roches à l’intérieur des planètes, mais diminue la quantité qui pourrait rester à la surface des océans.

Notre étude borde les eaux controversées de ce que les objets devraient être appelés «planètes». Selon la définition de l’Union astronomique internationale, le facteur qui a été utilisé pour rétrograder Pluton au statut de «planète naine» était qu’elle n’avait pas nettoyé le voisinage autour de son orbite de débris spatiaux. Au contraire, Pluton orbite dans la ceinture de Kuiper d’objets ressemblant à des comètes riches en glace. Nos simulations montrent qu’aucune population substantielle de déchets spatiaux ne peut rester dans le système TRAPPIST-1. Chacun de ces sept objets mérite donc d’être appelé une planète.

Pour l’instant, nous ne pouvons appliquer notre nouvelle technique qu’à la poignée d’autres systèmes, les chaînes résonnantes avec des maillots de paintball presque propres. Pourtant, ce sont quelques-uns des systèmes les plus intéressants que nous connaissons à la fois d’un point de vue orbital et parce qu’une théorie propose que presque tous les systèmes planétaires passent un certain temps en tant que chaîne résonnante (bien que très peu de chaînes résonnantes survivent). Comprendre l’histoire des bombardements des planètes dans ces systèmes est un premier pas vers le récit des origines d’autres mondes.

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