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Paris, 21 avril 2004

Les planètes extrasolaires : des modèles pour comprendre leurs évolutions

Deux équipes associées au CNRS, le Centre de recherche astronomique de Lyon (CRAL) et l'Institut d'astrophysique de Paris, ont développé des modèles concernant l'évolution des planètes extrasolaires. Ils ont montré que certaines de ces planètes, très proches de leurs étoiles, pouvaient s'évaporer et qu'en dessous d'une masse critique, elles ne survivaient pas à leur évaporation. L'équipe du CRAL a également développé un modèle qui permet de déterminer la variation de rayon de ces planètes extrasolaires. Ce modèle définit des contraintes sur la structure interne et l'évolution de ces objets.

Une équipe de l'Institut d'astrophysique de Paris, (IAP, CNRS - Université Pierre et Marie Curie), utilisant le télescope spatial Hubble (NASA/ESA) a montré que la planète extrasolaire HD209458b (surnommée Osiris) s'évapore et éjecte une partie de son atmosphère. Cette planète est une géante gazeuse très proche de son étoile ; elle appartient à la classe des « Jupiters-chauds » ou « Pégaside ». Afin d'expliquer les phénomènes observés, les chercheurs de l'IAP ont développé un modèle d'évaporation des « Jupiters-chauds ». Les simulations numériques montrent que la perte de l'atmosphère de ces planètes était liée à la conjugaison de la température élevée de la haute atmosphère chauffée à près de 10 000 degrés, et des forces de marée dues à la proximité de l'étoile autour de laquelle tourne la planète. Les forces de marée étirent l'atmosphère comme un ballon de rugby et le gaz s'échappe lorsque, à très haute altitude, il n'est plus lié à la planète par la gravitation.

 

Ces phénomènes pourraient expliquer le très petit nombre de planètes géantes gazeuses situées à moins de 7 millions de kilomètres autour des étoiles de type solaire. En effet, lorsque les planètes se trouvent trop proches de leur soleil, le mécanisme d'évaporation devient encore plus efficace. Si une planète s'approche à l'intérieur d'une limite critique, elle doit perdre une fraction importante de sa masse sous forme gazeuse et devenir ainsi indétectable avec les moyens dont on dispose aujourd'hui. A l'intérieur de cette limite, il est possible d'imaginer l'existence d'une nouvelle classe de planètes extrasolaires, résidus du cœur des planètes géantes gazeuses dont l'atmosphère s'est évaporée.

 

L'équipe de l'ENS-Lyon du Centre de recherche astronomique de Lyon (CRAL, CNRS - Université Claude Bernard – Ecole Normale Supérieure de Lyon) a également développé un modèle concernant l'évolution des planètes extrasolaires subissant comme HD209458b un effet d'évaporation. Ces processus d'évaporation complexes conduisent à des pertes de masse substantielles pour la planète qui affectent directement sa structure -donc son rayon- et son évolution, voire sa durée de vie. Les calculs de l'équipe du CRAL mettent en évidence le concept de masse critique pour ces exoplanètes fortement irradiées, variant avec la distance orbitale. L'enveloppe gazeuse d'une planète formée avec une masse inférieure à cette masse critique s'évaporera après un temps donné, dans certains cas en moins de 5 milliards d'années, âge de notre système solaire. Bien que les calculs de taux d'évaporation soient pour l'instant approximatifs, le concept de masse critique semble solide. Il a des conséquences importantes sur la durée de vie des « Jupiters-chauds » et sur notre compréhension de la distribution « masse/distance orbitale » des planètes extrasolaires. Ces prédictions théoriques devraient être vérifiables par l'observation puisqu'elles suggèrent que pour une distance orbitale donnée, aucune planète gazeuse de masse inférieure à la masse critique ne devrait survivre après un certain âge.

 

Par ailleurs, l'équipe du CRAL a développé un modèle prédisant la variation du rayon des « Jupiters-chauds » fortement irradiés au cours de leur évolution. Ce modèle a été confirmé par la découverte de la planète extrasolaire OGLE-tr-56b, observée en transit devant son étoile parente à une distance orbitale de 0,02 UA[1]. La courbe de lumière obtenue lors du transit, complétée par les mesures de vélocité radiale, permet en effet de déterminer non seulement la masse mais aussi le rayon de la planète, et donc sa densité moyenne. Combinées à une détermination de l'âge de l'étoile parente, ces observations définissent des contraintes très fortes sur la structure et l'évolution de ces « Jupiters-chauds ». Les calculs de l'équipe prédisent également la distribution spectrale d'énergie attendue de ces objets, pour une distance orbitale donnée : une indication précieuse pour les projets de détection directe.

 

Ces trois résultats représentent des avancées importantes dans notre compréhension de la physique des planètes extrasolaires et des processus complexes qui les lient à leur étoile hôte. Ils illustrent la complémentarité entre développements théoriques et progrès observationnels et fournissent une excellente motivation pour poursuivre l'exploration excitante de ces mondes nouveaux.

 

Les exoplanètes

 

Plus de cent planètes gazeuses ont été découvertes à ce jour en orbite autour d'étoiles autres que notre Soleil. Le domaine de recherche des planètes dites extrasolaires ou exoplanètes représente de fait un pan nouveau de l'astronomie du 21e siècle, au confluent de domaines tels que la planétologie, l'astrophysique stellaire et la physique de la matière dense. De nombreux projets sont actuellement en cours à travers le monde pour essayer d'observer directement ces objets, jusqu'à présent détectés de manière indirecte à travers leur influence sur le spectre lumineux de leur étoile parente.

 

Ces projets, et la compréhension même des propriétés fondamentales des exoplanètes, nécessitent des modèles théoriques robustes, afin de pouvoir prédire leurs propriétés observables, rayonnement, masse, rayon en fonction du temps. Notre capacité de détection est actuellement restreinte aux planètes les plus massives (dont la masse est supérieure à celle de Saturne) et orbitant à une distance inférieure à la distance Soleil-Jupiter qui est de 5 UA. Environ 20% des planètes détectées ont une distance orbitale extrêmement faible, 0,1 UA ou moins (un 50ème de la distance Soleil-Jupiter). Ces objets sont communément appelés des "Jupiters-chauds" ou "Pégasides" (du nom de la première exoplanète découverte dans la constellation de Pégase). La compréhension de leurs propriétés physiques représente un défi pour les astrophysiciens. Le flux d'énergie radiative que ces « Jupiters-chauds » recoivent de leur étoile hôte est considérable : environ 10 000 fois supérieur au flux solaire reçu par Jupiter, et plus de 1 million de fois supérieur au flux d'énergie produit intrinsèquement par la planète. Cette irradiation modifie fortement, non seulement leurs propriétés observables (spectre émergent), mais également leur profil thermique interne et donc leur évolution.

 


 

Notes :

1 UA = distance Terre-Soleil, 150 millions de kilomètres

Références :

Atmospheric escape from hot Jupiters - A. Lecavelier des Etangs, A. Vidal-Madjar, J. C. McConnell, and G. Hébrard. Astronomy & Astrophysics Letter 418 (2004) L1-L4

The effect of evaporation on the evolution of close-in giant planets - I. Baraffe, F. Selsis, G. Chabrier, T. S. Barman, F. Allard, P.H. Hauschildt, H. Lammer. Astronomy & Astrophysics Letter (sous presse)

The evolution of irradiated planets : application to transits - G. Chabrier, T. Barman, I. Baraffe, F. Allard, and P. H. Hauschild. The Astrophysical Journal, 603:L53–L56, 2004

Contacts :

Contacts chercheurs :
Gilles Chabrier. ENS - Lyon.Tél. : 04 72 72 87 06
Mél : chabrier@ens-lyon.fr

Alain Lecavelier des Etangs. Institut d'Astrophysique de Paris.
Tél. : 01 44 32 80 77 – Mél : lecaveli@iap.fr

Contact CNRS-INSU :
Philippe Chauvin - Tél. : 01 44 96 43 36
Mél : philippe.chauvin@cnrs-dir.fr

Contact presse CNRS :
Martine Hasler - Tél : 01 44 96 46 35
Mél : martine.hasler@cnrs-dir.fr


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