De nombreuses planètes nomades, qui évoluent dans le cosmos en l’absence d’étoile-mère, errent dans l’espace. Si aujourd’hui, plusieurs centaines d’entre elles ont été découvertes, leur origine demeure un mystère pour les astronomes : se forment-elles dans des systèmes planétaires avant d’en être éjectées, ou bien se forment-elles toutes seules ? Les résultats d’une nouvelle étude semblent pencher pour une hypothèse plutôt que l’autre.
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Les planètes errantes sont des corps de masse planétaire qui ne sont attachés gravitationnellement à aucune étoile. Elles errent donc dans l'espace interstellaire comme des objets indépendants. Si ces planètes sont si mystérieuses, c'est parce qu'elles sont très difficiles à débusquer : les méthodes usuelles de détection d'exoplanètes, comme la méthode des transits qui utilise la variation de l'intensité lumineuse d'une étoile pour identifier la présence d'un corps en orbite autour d'elle, ne peuvent s'appliquer pour des corps esseulés. Ainsi, jusqu'en 2021, seulement une vingtaine de planètes errantes avaient été identifiées grâce à des méthodes d'observation indirecte, comme les lentilles gravitationnelleslentilles gravitationnelles. Deux astronomesastronomes ont par la suite réussi à en détecter près de 70 grâce à des méthodes de détection infrarougeinfrarouge, ouvrant la voie à des études statistiques de ces planètes mystérieuses : saurons-nous enfin d'où viennent-elles, et comment se forment-elles ?
Deux grands scénarios de formation
Les astronomes considèrent généralement deux grands scénarios de formation pour ces planètes errantes. Elles peuvent d'un côté se former de la même manière qu'une étoile, c'est-à-dire par l'effondrementeffondrement gravitationnel d'un nuage moléculaire. Dans ce cas, la planète est formée à partir d'une matièrematière similaire à celle d'une étoile (principalement de l'hydrogènehydrogène et de l'héliumhélium). Elle se distingue d'une étoile par sa masse bien plus faible, ne permettant pas d'engendrer des réactions de fusionfusion en son sein.
Une étoile se forme à la suite de l'effondrement gravitationnel d'un nuage moléculaire. Si la quantité de matière est trop faible, cet effondrement donnera naissance à une planète, de composition similaire à celle d'une étoile. © Éditions Larousse
Selon le second grand scénario, les planètes errantes se formeraient de la même manière que la plupart des planètes, c'est-à-dire dans des disques protoplanétaires autour de jeunes étoiles. Elles seraient ensuite éjectées du système planétaire, soit par des interactions gravitationnelles entre les différentes planètes du système, soit par des interactions gravitationnelles avec leurs étoiles-mères dans des systèmes stellaires binaires (des systèmes où les planètes orbitent autour de deux étoiles). Ces deux scénarios sont tout aussi plausibles l'un que l'autre, et la difficulté reste à déterminer la part de chacun pour expliquer la population de planètes errantes observées.
Comment déterminer l’origine d’une planète errante ?
Dans une récente étude, un chercheur semble avoir trouvé un moyen de différencier les planètes errantes en fonction de leur origine. Dans ses travaux, en prépublication mais disponibles sur arXiv, l'auteur se concentre sur les planètes errantes éjectées de leur système d'origine. Il note que, selon les modèles communément admis, les interactions gravitationnelles entre les différentes planètes d'un système ne peuvent expliquer à elles seules le nombre de planètes errantes observées, et choisit de se focaliser sur les systèmes binairessystèmes binaires (à deux étoiles).
En se basant sur le système binaire TOI 1338, déjà bien connu des astronomes et doté d'au moins une planète connue en orbite autour des deux étoiles, le chercheur a réalisé diverses simulations afin d'observer le comportement des planètes du système. Parmi les différentes variables, on retrouve dans ses simulations la masse du disque protoplanétairedisque protoplanétaire initial, la distance entre les deux étoiles du système binaire, ou encore le niveau de turbulenceturbulence du disque et la masse des deux étoiles. Chaque simulation durait environ 10 millions d'années, un intervalle de temps assez long pour que le jeune système planétaire prenne forme.
Et les résultats de ses simulations sont sans appel : les systèmes binaires produisent bel et bien des planètes errantes, avec un taux moyen de deux à sept planètes de masse supérieure à la Terre éjectées pour chaque simulation. Les simulations montraient de plus que la grande majorité des planètes éjectées quittaient leur système d'origine en seulement 4 millions d'années, soit bien avant que le disque protoplanétaire ne soit dissipé.
Mieux encore, l'auteur semble avoir décelé un paramètre pouvant aider à déterminer l'origine d'une planète errante donnée. Dans ses simulations, il a remarqué que les vitesses d'éjectionvitesses d'éjection des planètes nées dans des systèmes binaires étaient largement supérieures aux vitesses de dispersion observées pour des étoiles situées dans des régions de formations stellaires. De plus, les vitesses d'éjection des planètes originaires de systèmes binaires semblaient en moyenne trois fois plus élevées que pour des planètes éjectées de leur système par des interactions gravitationnelles entre planètes uniquement. Ainsi, la vitesse d'une planète errante dans l'espace interstellaire peut aider à déterminer son origine !
Si ses simulations semblent donner des résultats satisfaisants, l'auteur tient à noter les limites de ses travaux : les simulations ne prennent en compte qu'un seul système binaire, alors qu'il en existe une variété telle qu'il serait impossible de tout simuler avec les outils technologiques actuels. Néanmoins, ces travaux peuvent donner une bonne première idée sur l'origine d'une planète errante observée. L'auteur espère pouvoir dans un futur proche déterminer s'il existe des différences de composition chimique entre les différentes planètes errantes, afin d'éventuellement en tirer une conclusion sur leurs potentielles origines.
