L’écart de taille des exoplanètes change avec l’âge

Il y a vingt-six ans, les astronomes découvert la première planète en orbite autour d’une étoile lointaine semblable au Soleil. des milliers d’exoplanètes Ils sont connus pour habiter notre bande locale de la Voie lactée, et ce déluge de données a révélé par inadvertance un mystère cosmique : les planètes légèrement plus grandes que la Terre semblent être relativement rares dans le canon de l’exoplanète.

Une équipe a maintenant utilisé des observations de centaines d’exoplanètes pour montrer que cet écart planétaire n’est pas statique, mais évolue avec l’âge de la planète ; Les systèmes planétaires plus jeunes sont plus susceptibles de ne pas avoir de planètes légèrement plus petites, et les systèmes plus anciens sont plus susceptibles de ne pas avoir de planètes légèrement plus petites. planètes plus grandes. Cette évolution est cohérente avec l’hypothèse selon laquelle la perte atmosphérique – littéralement l’atmosphère d’une planète qui s’estompe avec le temps – est responsable de cette soi-disant “vallée du rayon”, ont suggéré les chercheurs.

Change avec l’âge

En 2017, les scientifiques ont rapporté la première détection sûre du rayon de la vallée. (Quatre ans plus tôt, une autre équipe avait posté une tentative de détectionDéfinie par une rareté relative d’exoplanètes d’environ 50 % à 100 % plus grandes que la Terre, la vallée du rayon est facilement apparente lorsque l’on examine les histogrammes de la taille des planètes, a-t-il déclaré. Julia Venturini, astrophysicien à l’Institut international des sciences spatiales de Berne, en Suisse, qui n’était pas impliqué dans la nouvelle recherche. “Il y a un épuisement des planètes dans environ 1,7 rayon terrestre.”

Trevor david, astrophysicien au Flatiron Institute de New York, et ses collègues étaient curieux de savoir si l’emplacement de la vallée du rayon, c’est-à-dire la gamme de taille planétaire qu’elle englobe, évolue avec l’âge de la planète. C’est une question importante, a déclaré David, car trouver une évolution dans la vallée du rayon peut faire la lumière sur sa ou ses causes. Certaines planètes ont été proposées pour perdre leur atmosphère au fil du temps, les faisant changer de taille. Si l’échelle de temps sur laquelle évolue la vallée du rayon correspond à l’échelle de temps de la perte atmosphérique, il pourrait être possible d’identifier ce processus comme explication, a déclaré David.

Dans une nouvelle étude publié dans le Journal astronomique, les chercheurs ont analysé les planètes découvertes à l’origine avec le télescope spatial Kepler. Ils se sont concentrés sur un échantillon d’environ 1 400 planètes dont les étoiles hôtes avaient été observées par spectroscopie. Leur première tâche consistait à déterminer l’âge des planètes, qu’ils évaluaient indirectement en estimant l’âge de leurs étoiles hôtes. (Parce qu’il faut quelques millions d’années seulement Pour que les planètes se forment autour d’une étoile, ces objets, astronomiquement parlant, ont presque le même âge.)

L’équipe a calculé l’âge des planètes dans une fourchette d’environ 500 millions d’années à 12 milliards d’années, mais “l’âge est l’un de ces paramètres très difficiles à déterminer pour la plupart des étoiles”, a déclaré David. C’est parce que les estimations de l’âge des étoiles sont basées sur des modèles théoriques de l’évolution des étoiles, et ces modèles ne sont pas parfaits en ce qui concerne les étoiles individuelles, a-t-il déclaré. Pour cette raison, les chercheurs ont décidé de baser la plupart de leurs analyses sur la division grossière de leur échantillon en deux groupes d’âge, l’un pour les étoiles de moins de quelques milliards d’années et l’autre pour les étoiles de plus de 2 à 3 milliards d’années.

Une vallée en mouvement

Lorsque David et ses collaborateurs ont examiné la distribution des tailles des planètes dans chaque groupe, ils ont en fait constaté un changement dans le rayon de la vallée : les planètes à l’intérieur avaient tendance à être environ 5 % plus petites, en moyenne, dans les systèmes des planétariums plus jeunes comparés aux systèmes planétaires plus anciens. Il n’était pas tout à fait surprenant de trouver cette évolution, mais il était inattendu qu’elle persiste sur des échelles de temps aussi longues. [billions of years]dit David. “Ce qui était surprenant, c’est la durée de cette évolution.”

Ces découvertes sont cohérentes avec le fait que les planètes perdent leur atmosphère au fil du temps, ont proposé David et ses collègues. L’idée est que la plupart des planètes développent d’abord des atmosphères, mais les perdent ensuite, réduisant ainsi leur taille juste en dessous de celle de Neptune (environ 4 fois le rayon de la Terre) à juste au-dessus de celle de la Terre. “Nous déduisons que certains sous-Neptune deviennent des super-Terres par perte atmosphérique”, a déclaré David. Éos. Au fil du temps, les plus grosses planètes perdent leur atmosphère, ce qui explique l’évolution du rayon vallée, ont suggéré les chercheurs.

Atmosphères expulsantes

La perte atmosphérique peut se produire par un certain nombre de mécanismes, pensent les scientifiques, mais deux en particulier sont considérés comme relativement courants. Les deux impliquent de l’énergie qui est transférée dans l’atmosphère d’une planète au point qu’elle peut atteindre des milliers de degrés Kelvin. Cet apport d’énergie donne un coup de fouet aux atomes et aux molécules d’une atmosphère, et certains d’entre eux, en particulier des espèces plus légères comme l’hydrogène, peuvent s’échapper.

“Vous pouvez faire bouillir l’atmosphère d’une planète”, a-t-il déclaré. Akash Gupta, un planétologue de l’Université de Californie à Los Angeles qui n’a pas participé à la recherche.

Dans le premier mécanisme, la photoévaporation, l’énergie est fournie par les rayons X et les photons ultraviolets émis par l’étoile hôte d’une planète. Dans le deuxième mécanisme, le refroidissement du cœur, la source d’énergie est la planète elle-même. Une planète d’assemblage est formée à partir de collisions successives d’objets rocheux, et toutes ces collisions déposent de l’énergie sur la planète en formation. Au fil du temps, les planètes rayonnent à nouveau cette énergie, dont certaines atteignent leurs atmosphères.

Études théoriques ont prédit que la photoévaporation fonctionne sur des échelles de temps relativement courtes, environ 100 millions d’années, tandis que le refroidissement du cœur persiste pendant des milliards d’années. Mais conclure que le refroidissement du cœur est responsable de l’évolution dans la vallée du rayon serait prématuré, a déclaré David, car certains chercheurs ont suggéré que la photo-évaporation peut également agir pendant des milliards d’années dans certains cas. Il est difficile de déterminer lequel est le plus susceptible d’être en jeu, a déclaré David. “Nous ne pouvons pas exclure les théories de la photoévaporation ou de la perte de masse induite par le noyau.”

Il est également possible que la vallée du rayon se produise en raison de la façon dont les planètes se forment, et non de la façon dont elles évoluent. À l’avenir, David et ses collègues prévoient d’étudier des planètes extrêmement jeunes, celles qui n’ont qu’environ 10 millions d’années. Ces jeunes de l’univers devraient retenir davantage d’informations sur leur formation, espèrent les chercheurs.

—Katherine Kornei (@KatherineKornei), Rédacteur scientifique