jeudi 25 janvier 2018

L'entropie des systèmes multiples d'exoplanètes leur donne une mémoire


A ce jour, le nombre de systèmes planétaires découverts qui abritent plus de trois planètes se monte à un peu plus de 220. Ces systèmes montrent une étonnante variété dans leur architecture, ce qui rend difficile d'en extraire des principes généraux sur la formation des systèmes de planètes. L'exoplanétologue David Kipping s'est amusé à calculer une valeur d'entropie pour chacun de ces systèmes multiples pour savoir si l'histoire de leur formation y  avait laissé des traces ou bien si les conditions initiales s'étaient diluées à jamais...




La variété des systèmes planétaires détectés par Kepler va du système parfaitement ordonné (Kepler-80), jusqu'à un système très anarchique (Kepler-20). En faisant l'hypothèse que les systèmes planétaires naissent via des chemins de formation spécifiques, il est raisonnable de penser que l'ordre et la taille des planètes n'est pas aléatoire, mais reflète encore ces processus de formation. C'est dans le but de prouver cette intuition que David Kipping (Columbia University) a cherché une variable à même de pouvoir quantifier le degré de désordre des systèmes planétaires.
Kipping a travaillé seul sur les données des systèmes à plus de trois planètes qui ont été trouvés par le télescope spatial Kepler. L'entropie, dans cette étude inédite, est reliée à la taille et à l'ordre des planètes autour de leur étoile. Des systèmes où les planètes seraient rangées de manière désordonnée auront une entropie plus grande que des systèmes ayant des planètes mieux ordonnées en fonction de leur taille. Dans ce concept, si Mars était plus grosse que la Terre, notre système aurait une entropie plus faible que celle qu'il a effectivement.
David Kipping a utilisé trois formalismes différents pour évaluer son entropie, avec un code de calcul qui fonctionne pour des systèmes possédant jusqu'à 10 planètes.  Et il trouve des résultats similaires : les systèmes stellaires étudiés possèdent une entropie plus faible que si les planètes étaient distribuées totalement aléatoirement autour de leur étoile. Le planétologue américain montre aussi que son calcul est robuste vis à vis de cas où il y aurait des planètes manquantes (non encore détectées). Kipping en déduit que les systèmes stellaires conservent une mémoire de leur état initial, même lorsqu'ils paraissent très désordonnés. Il est donc théoriquement possible d'obtenir une information sur ces processus de formation en observant la distribution en taille et en distance des planètes autour de leur étoile.
Comme l'entropie est censée augmenter au cours du temps, et que des systèmes d'étoiles binaires devraient normalement augmenter le désordre dans leurs cortèges planétaires (donc l'entropie telle que calculée), il serait intéressant de montrer l'existence de cette relation entre âge stellaire et binarité et entropie. Malheureusement, les échantillons de Kepler ne permettent pas d'explorer ces variables, mais d'autres télescopes chasseurs d'exoplanètes pourraient offrir cette possibilité dans le futur.
On le voit, la théorie de l'information (ou de l'entropie) offre ainsi une nouvelle approche très intéressante dans un domaine où on ne s'attendait pas à la rencontrer a priori.


Source

Do planets remember how they formed?
David Kipping
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 473, Issue 1, (1 January 2018), https://doi.org/10.1093/mnras/stx2383


Illustration

Deux cas extrêmes de systèmes planétaires montrant une entropie très faible (Kepler-80) et très élevée (Kepler-20) (D. Kipping)