mercredi 27 décembre 2017

Des milliards d’exolunes vagabondes doivent errer dans notre Galaxie


Entre 2 et 200 milliards d’exolunes errantes, c’est le nombre impressionnant qu’obtient une équipe d’astrophysiciens après avoir calculé ce qui se passe lorsque des exoplanètes gazeuses entourées de petits satellites se rapprochent fortement au sein de leur système planétaire, un phénomène assez fréquent.




Aujourd’hui, nous n’avons pas encore détecté directement des exolunes gravitant autour d’exoplanètes, on connait juste quelques candidats non confirmés. Mais cela ne saurait tarder. Les planètes gazeuses de notre système solaire, Jupiter et Saturne en tête , possède de très nombreux petits satellites (Jupiter en possède plus de 50). Il est de fait facile d’imaginer que les exoplanètes du même type que nous détectons par centaines chaque année possèdent elles aussi des myriades de petites lunes.

Toutes ces petites lunes ne pèsent pas lourd à côté de ces planètes géantes qui ont des masses plusieurs centaines de fois plus grande que celle de la Terre. Un élément qui a été remarqué depuis quelques temps par les spécialistes des exoplanètes, c’est que de nombreuses exoplanètes de type Jupiter, géantes gazeuses, possèdent une orbite très excentrique. Les planétologues associent ces orbites très allongées à des phénomènes de violentes instabilités gravitationnelles. Ces planètes géantes se formeraient au sein de systèmes à plusieurs planètes, comme le nôtre, sur des orbites quasi-circulaires. Mais au fil du temps, des petites perturbations gravitationnelles s’accumulent et modifient les orbites, jusqu’à ce que certaines orbites se retrouvent très proches l’une de l’autre et puissent se croiser. Il arrive alors ce qu’il doit arriver : deux planètes géantes qui se rapprochent fortement vont se perturber mutuellement l’une et l’autre, sans forcément entrer en collision frontalement. Les astronomes appellent ce phénomène une « diffusion planète-planète ». Le résultat de cette forte perturbation gravitationnelle est sans appel : une des deux planètes géantes se retrouve éjectée du système planétaire, et l’autre voit son orbite fortement modifiée et devenir très excentrique. Les spécialistes estiment que plus de 75% des systèmes planétaires abritant des géantes gazeuses ont connu ou vont connaître de telles instabilités gravitationnelles.

La jeune chercheuse Yu-Cian Hong (Université Cornell) et ses collègues se sont intéressés à ce que deviennent les petites lunes de ces planètes géantes lors de ces processus violents d’interaction et d’éjection. Ils viennent de publier leurs résultats dans The Astrophysical Journal.
Ils parviennent à calculer grâce à des simulations à N corps des multiples interactions gravitationnelles entre deux planètes gazeuses de type Jupiter et Saturne, les probabilités pour que tel ou tel phénomène ait lieu. Du plus probable au moins probable, Yu-Cian Hong et ses collègues trouvent qu’il doit se passer les choses suivantes : 
- Pour 41% des lunes simulées : la lune est éjectée de sa planète, et ensuite éjectée du système stellaire, devenant alors un petit corps vagabond errant dans le milieu interstellaire,
- Pour 20% des cas, la lune entre en collision avec sa planète,
- Dans 17% des cas, la lune est éjectée de sa planète mais entre en collision avec l’étoile,
- Pour 17% des lunes également, celles-ci restent en orbite de leur planète qui continue à orbiter son étoile,
- Dans 2% des cas, la lune se retrouve capturée par une autre planète qui est toujours en orbite de l’étoile,
- Pour 2%, la lune continue sa course autour de sa planète, mais cette dernière est éjectée du système stellaire. Le couple se retrouve errant dans la Galaxie,
- Enfin, pour 1% des cas, la lune est éjectée de sa planète mais reste en orbite de l’étoile, devenant par là même une nouvelle petite planète.


En considérant le nombre probable de planètes géantes qui doivent peupler les systèmes stellaires de notre Galaxie, et le nombre de petits satellites qu’elles doivent posséder, Yu-Cian Hong et ses collaborateurs calculent la population de ces lunes vagabondes au sein de la Galaxie. Ils trouvent un nombre compris entre 0,01 à 1 par étoile. La plage d’incertitude est assez importante du fait de l’incertitude à la fois sur le nombre de planètes géantes et sur le nombre de satellites qu’elles possèdent. Rapporté au nombre d’étoiles présentes dans la Galaxie, environ 200 milliards, cela fait donc un nombre d’exolunes vagabondes compris entre 2 milliards et 200 milliards ! 

Outre l’éjection du système planétaire, le cas de la capture d’une petite lune par une autre planète est intéressant. Il existe un cas dans notre système solaire qui pourrait être expliqué par ce phénomène, même si il paraît très improbable, celui de Triton, satellite de Neptune, qui montre une orbite très atypique, rétrograde par rapport à la rotation de Neptune et de ces autres satellites.
Ce que montrent aussi les chercheurs dans leur étude, c’est que toutes les lunes des planètes géantes ne sont pas à la même enseigne. Ce sont les satellites les plus éloignés de la planète qui ont le plus de probabilité d’être éjectés ou capturés, ceux dont la distance de leur planète est supérieure à la distance d’approche minimale des deux planètes. Alors que 17% des lunes « survivent » à une diffusion planète-planète dans les simulations, ce pourcentage monte à 60% dans le cas particulier d’un satellite très proche de sa planète comme Io autour de Jupiter (et 30% pour Callisto).
Les caractéristiques des orbites des satellites de Jupiter et Saturne indiquent en outre que nos deux géantes gazeuses n’ont pas dû connaitre de diffusion planète-planète très violente. Une légère interaction n’est en revanche pas exclue.


Les 2% des cas où la planète est éjectée avec sa lune sont intéressants surtout lorsque l’on sait que les forces de marées induites par la planète sur son satellite peuvent produire de la chaleur interne dans la croûte, à l’image de ce qu’on connaît sur Europe ou Io autour de Jupiter ou Encelade autour de Saturne. Ces satellites errants pourraient ainsi posséder de l’eau liquide sans être associés à une quelconque étoile et une quelconque « zone habitable ». Les imaginations les plus fécondes sauront certainement exploiter ces situations intéressantes pour l’exobiologie interstellaire…
Comme le phénomène de diffusion planète-planète tend à détruire les planètes quand il se passe avec des planètes de faible masse, l’équipe de Yu-Cian Hong infère que l’origine des planétésimaux qui ont fini par former les petites planètes rocheuses comme la Terre, pourrait être lié au 1% des cas dans lesquels les lunes des planètes géantes deviennent des petites planètes à part entière.

Les futurs outils de détection de microlentilles gravitationnelles devraient être capables de trouver des objets jusqu’à une masse de 10% de la masse de la Terre. Les exolunes vagabondes errant entre les étoiles de la Galaxie seront alors peut-être trouvées avant les exolunes « classiques » en orbite autour d’exoplanètes elles-mêmes en orbite d’étoiles.


Source

Innocent bystanders : orbital dynamics of exomoons during planet-planet scattering
Yu-Cian Hon, Sean N. Raymond, Philip D. Nicholson and Jonathan I. Lunine
The Astrophysical Journal, sous presse (december 2017)


Illustrations 

1) Vue d'artiste de lunes vagabondes (Getty)

2) Yu-Cian Hong (Cornell University)