Lancé depuis 2009, l'observatoire spatial Kepler a traqué les exoplanètes pendant plus de quatre ans sur la même portion de ciel. Grâce à la méthode des transits (de la planète devant son étoile), il en a recensé plus de 3000, soit un peu plus de la moitié des découvertes à ce jour, et ses données ont révolutionné la compréhension des planètes et de leurs étoiles.

Or, dès 2013, les scientifiques relèvent parmi les données de Kepler, un déficit de planètes proches de leur étoile, quand celle-ci tourne rapidement sur elle-même (jusqu'à dix fois plus vite que notre Soleil). S'agit-il d'un biais observationnel (statistique) ou y aurait-il une raison physique sous-jacente à ce manque ?

Observations versus systèmes stellaires « synthétiques »

Pour y voir plus clair, des chercheurs de l'Irfu ont voulu comparer les données de Kepler et une population d'exoplanètes simulée avec le code d'évolution étoile-planète ESPEM.

Ce code calcule les interactions de marées et magnétiques dans un système composé d'une étoile et d'une planète, depuis la naissance de la planète jusqu'à la mort de l'étoile. Il a donc fallu sélectionner parmi les données de Kepler les systèmes composés seulement d'une étoile brûlant encore de l'hydrogène (dite sur la « séquence principale ») et d'une planète, avec une contrainte additionnelle, liée à la connaissance de la vitesse de rotation de l'étoile sur elle-même : l'existence de taches magnétiques à la surface de l'étoile. Au final, 576 systèmes exoplanétaires observés par Kepler ont répondu aux critères définis par les chercheurs.

En accord avec l'échantillon de Kepler, le code reproduit un déficit de planètes en orbite étroite autour d'une étoile à rotation rapide. Pour être plus précis, il y aurait un peu plus de planètes proches de leur étoile quand celle-ci est « froide » et peu massive (plutôt que « chaude » et massive). Comment expliquer cette tendance ?

Effets de marées et magnétisme

L'interaction gravitationnelle entre l'étoile et sa planète engendre des effets de marées, qui peuvent déformer leur structure, en dissipant de l'énergie sous forme de chaleur. Ces interactions entraînent un échange de moment cinétique pouvant ralentir (ou accélérer) la rotation de l'étoile et faire migrer la planète vers l'extérieur (ou vers l'étoile), l'effet étant d'autant plus marqué que la planète est massive.

Le magnétisme entre lui aussi en jeu. Comme une péniche perturbe un canot entrant dans son sillon, une étoile imprime une « traînée » magnétique sur la planète qui orbite autour d'elle. Plus la planète est proche de son étoile, plus la traînée est intense. Celle-ci peut alors faire migrer la planète, en l'approchant ou l'éloignant de l'étoile, à des échelles de temps voisines de la centaine de millions d'années.

En résumé, les planètes massives sont surtout affectées par les marées, et les plus légères, par le magnétisme de leur étoile. Par ailleurs, l'influence stellaire est dominée par le magnétisme pour les étoiles « chaudes » et par les marées, pour les étoiles plus froides. Ainsi, selon sa masse et le spectre de son étoile, une planète peut-elle migrer plus ou moins loin de son étoile, comme en témoignent les observations de Kepler.

Bien que ces résultats soient prometteurs, il est nécessaire d'augmenter la taille de l'échantillon d'observations afin de contraindre davantage les simulations et affiner la compréhension des mécanismes en jeu.