Les astrophysiciens ne sont toujours pas d'accord sur la limite en masse entre les planètes géantes massives et les étoiles naines brunes. Une valeur souvent retenue est la limite de fusion du deutérium à la métallicité solaire, qui vaut 13 MJ (MJ : masse de Jupiter). Aujourd'hui, une équipe publie la découverte d'une troisième planète géante qui atteint cette limite, avec 12,89 MJ, et elle a une densité extrême de plus de 14... L'étude est publiée dans Astronomy&Astrophysics.
Ce qu'on appelle les planètes géantes massives sont des planètes qui ont une masse entre 4 et 13 MJ. Mes les objets de moins de 13 MJ partagent une nature commune avec les objets de 13 MJ , quel que soit leur nom. C'est pourquoi la définition basée sur une limite de masse nette entre les naines brunes et les planètes a suscité pas mal de désaccords parmi les spécialistes, et diverses propositions ont été faites pour la remodeler. Spiegel et al. avaient montré en 2011 que la combustion du deutérium pouvait varier de 11 à 16 MJ selon la teneur en hélium et autres métaux de l'objet. Certaines autres études en 2005, 2010 et 2011 ont même recommandé d'augmenter la limite de masse supérieure à 25 MJ. Puis Hatzes & Rauer ont fourni en 2015 une nouvelle définition et ont proposé que les objets dans la gamme comprise entre 0,3 et 60 MJ soient appelés planètes gazeuses géantes parce qu'ils suivent une séquence particulière dans le diagramme masse-densité de toutes les planètes connues, objets sous-stellaires, et étoiles. Comme ils ne voient pas de changements brusques dans le diagramme masse-densité pour les objets dans la gamme 0,3-60 MJ, ils suggèrent que, quels que soient leurs scénarios de formation, ces objets devraient appartenir à la même classe générale d'objets, c'est-à-dire des planètes.
Cependant, l'Union Astronomique Internationale a récemment proposé une définition de travail des exoplanètes l'année dernière, qui stipule qu'en plus de la limite de masse de 13 MJ, le système devrait avoir un rapport de masse avec l'objet central inférieur à l'instabilité L4 / L5 ( M/ M central < 1/25). Et certains chercheurs préfèrent utiliser les mécanismes de formation pour distinguer les planètes géantes massives des naines brunes. Deux mécanismes de formation dominent la littérature : premièrement l'accrétion de cœur, qui est généralement suivie par les planètes géantes de faible masse ( M < 4 MJ ), et deuxièmement l'instabilité de disque, qui est généralement favorisé pour les planètes géantes massives ainsi que pour les naines brunes de faible masse. Mais le mécanisme dominant pour la formation des planètes dépend de la masse du disque et des conditions de métallicité de l'étoile hôte, c'est-à-dire leurs conditions environnementales initiales. Il n'est donc pas du tout aisé de retracer l'histoire de la formation d'une planète à partir de la compréhension actuelle de son environnement. Entrent en jeu également les éventuels effets de migrations orbitales qui peuvent jouer un rôle important entre le moment de formation d'une planète et sa position actuelle.
C'est dans ce contexte plein de questions non tranchées qu'arrive cette découverte de Akanksha Khandelwal (Indian Institute of Technology) et ses collaborateurs. L'exoplanète qu'ils ont découverte dans les données de TESS puis caractérisée avec des spectrographes sur des télescopes au sol est appelée TOI-4603 b. Elle tourne autour de l'étoile TOI-4603, qui est une sous-géante de type F de 1,76 masses solaires. La planète découverte a une période orbitale de 7,246 jours, un rayon de 1,042 RJ, et une température de 1677 K. En utilisant des mesures de vitesse radiale avec les spectrographes PARAS et TRES, Khandelwal et ses collaborateurs ont déterminé que la masse de la planète était de 12,89 ±0,58 MJ. Connaissant le rayon et donc le volume, ils en déduisent une densité apparente de 14,1 (±1,7) g cm-3. Cela en fait l'une des rares planètes géantes massives connues avec une densité extrême. Elle se situe dans la région de transition des planètes géantes massives et des naines brunes de faible masse, où se superposent planètes massives et naines brunes de faible masse (entre 11 et 16 MJ), basée sur la limite de masse de combustion du deutérium. Selon la définition de l'UAI pour la métallicité solaire, la limite de masse de combustion du deutérium est de 13 MJ mais cette limite dépend d'autres facteurs, tels que l'abondance d'hélium et de deutérium initial, et de la métallicité de l'objet. Par exemple, pour trois fois la métallicité solaire, 10 % du deutérium initial peut commencer à brûler à 11 MJ, comme l'avaient montré Spiegel et al. en 2011. En supposant que la métallicité de TOI-4603 b soit la même que celle de son étoile, elle aurait initié la fusion du deutérium, ne répondant donc pas à son premier critère pour être appelé une planète. Mais selon le deuxième critère de l'UAI, TOI-4603b a un rapport de masse de 0,007 avec son étoile hôte, donc en dessous de l'instabilité L4/L5 (< 1/25), ce qui est en faveur de son appellation d'exoplanète, selon Khandelwal et ses collaborateurs.
À ce jour, il existe un total de 5310 exoplanètes confirmées, parmi lesquelles les masses de 1569 d'entre elles ont été déterminées. En sélectionnant les planètes géantes en transit qui ont une masse comprise entre 0,25 et 13 MJ, il ne reste plus que 477 planètes géantes en transit, et parmi celles-ci, 35 planètes peuvent être qualifiées de massives (M > 4 MJ). Parmi ces exoplanètes massives en transit, avant TOI-4603 b, il n'y avait que deux objets en transit rapprochés (a < 0,1 UA) et toutes les deux très proches de 13 MJ : HATS-70 b (12,9 MJ) découverte par Zhou et al. en 2019 et XO-3b (13,1 MJ) découverte par Johns-Krull et al. en 2008. Cela fait de TOI-4603 b un ajout important dans le contexte des planètes géantes connues. Même si elle arrive troisième sur le podium de la masse, TOI-4603 b arrive sur la première marche du podium de la densité, et largement, les deux autres ayant une densité inférieure à 10 g.cm-3.
Les propriétés orbitales de TOI-4603 b sont aussi très intéressantes. L'excentricité de son orbite est de 0,325 ± 0,020 et sa séparation orbitale avec son étoile de 0,0888 ± 0,0010 UA. Ces valeurs suggèrent que la planète est probablement en train de subir une migration de marée à haute excentricité, selon les chercheurs. On sait que la plupart des planètes géantes excentriques orbitent autour d'étoiles riches en métaux, tandis que les planètes géantes circulaires orbitent à la fois autour d'étoiles riches en métaux et pauvres en métaux. Compte tenu de la corrélation bien connue entre l'occurrence des planètes géantes et la métallicité stellaire, Dawson & Murray-Clay ont établi en 2013 que les planètes géantes excentriques orbitent principalement autour d'étoiles riches en métaux, ce qui soutient la migration via l'interaction gravitationnelle planète-planète. TOI-4603 b, ayant une orbite excentrique et ayant une étoile hôte métallique est cohérente avec cette tendance, d'autant plus que Khandelwal rappelle qu'en 2019, Kervella et al. avaient trouvé une naine brune (une vraie!, avec une masse de 20,52 MJ ) accompagnant TOI-4603 a une distance de 1,8 UA). Cette compagne naine brune pourrait fournir une explication à l'excentricité observée de TOI-4603 b, selon eux. Les chercheurs ont d'ailleurs calculé l'échelle de temps de circularisation de marée la plus courte, et elle vaut 8,2 Gigannées, ce qui est bien supérieur à l'âge actuel de l'étoile déterminé, qui est de 1,64 Gigannées. Donc l'orbite de TOI-4603 b n'aurait pas eu le temps de se circulariser, ce qui est cohérent avec les observations.
Une autre caractérisation qu'ont effectuée Khandelwal et al. concerne la composition de cette planète massive et dense : ils trouvent une fraction en éléments lourds de 0,13 et un enrichissement en métal de la planète (ZP/Zétoile ) de 4,2. Ces résultats vont être très utiles pour mieux contraindre les canaux de formation de ces planètes les plus massives et les plus denses que l'on connaisse. Mais d'autres planètes de ce type devront encore être découvertes et caractérisées pour trancher définitivement sur la différentiation entre planètes très massives et naines brunes de faible masse.
Source
Discovery of a massive giant planet with extreme density around the sub-giant star TOI-4603
Akanksha Khandelwal et al.
Astronomy&Astrophysics Volume 672 (14 April 2023)
Illustration
Position de TOI-4603 b dans le diagramme masse-densité des planètes et des naines brunes (Akanksha Khandelwal et al. )
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