LES MÉGA-TERRES QUI N'EN SONT PROBABLEMENT PAS

La théorie de la formation des planètes fixe un plafond aux mondes rocheux. Un cœur en croissance qui dépasse environ 10 masses terrestres ne peut plus éviter l’accrétion emballée de gaz : il aspire le gaz du disque qui entoure son étoile naissante et devient une planète gazeuse. Les simulations de collisions et d’érosion donnent la même limite. Les mesures de vraies planètes placent même la bascule entre roche nue et planète enveloppée de gaz plus bas, vers 4 à 5 masses terrestres.

Et pourtant, ces dernières années, quelques planètes sont apparues avec la densité de la roche et des masses bien supérieures à dix Terres. Certains astronomes les appellent « méga-Terres ». Les expliquer exigerait des histoires exotiques : des collisions tardives après la disparition du disque de gaz, ou des cœurs de géantes dépouillés de leur atmosphère.

Casey Brinkman et Nicolas Cowan, du Trottier Space Institute de l’université McGill à Montréal, se sont posé une question plus simple : ces planètes sont-elles vraiment si lourdes ?

Peser une planète au balancement de son étoile

La plupart de ces masses viennent des vitesses radiales : en tournant, une planète tire son étoile d’avant en arrière, et la lumière de l’étoile change très légèrement de couleur. L’ampleur de ce balancement donne la masse de la planète.

L’ennui, c’est que les étoiles ne sont pas calmes. Les étoiles magnétiquement actives portent des taches sombres et des plages brillantes qui tournent avec elles. Elles ajoutent du bruit aux mesures, et une tache qui apparaît en tournant peut imiter — ou gonfler — le signal d’une planète.

Huit suspectes, un point commun

Les deux chercheurs sont partis de l’archive des exoplanètes de la NASA et ont retenu 333 planètes plus petites que quatre rayons terrestres, avec un rayon fiable et une masse par vitesses radiales. Ils ont trouvé :

• 4 planètes de densité rocheuse et de plus de 10 masses terrestres : WASP-84 c, TOI-1347 b, TOI-2322 c et HD 63433 b ;
• 4 autres au-dessus de la limite, presque sans enveloppe d’hydrogène et d’hélium : GJ 523 b, TOI-815 c, HD 18599 b et GJ 143 b.

Pour mesurer l’activité de chaque étoile hôte, ils ont utilisé un indice fondé sur la lumière du calcium émise par la couche externe chaude de l’étoile, qui s’illumine sous l’effet du chauffage magnétique. Au-dessus d’une valeur de −4,75, une étoile est dite active. Les mesures de luminosité de la mission TESS montrent aussi chaque étoile qui faiblit puis remonte au gré de la rotation de ses taches.

Résultat : toutes les huit tournent autour d’étoiles actives. Parmi 37 étoiles dont on connaît à la fois la masse d’une planète et l’activité, seules 13 sont actives.

La probabilité d’une coïncidence

Si les méga-Terres étaient réparties au hasard, la chance que les quatre rocheuses soient toutes tombées autour d’étoiles actives serait :

p = 13/37 × 12/36 × 11/35 × 10/34 = 0,01

Environ 1 %. En ajoutant les quatre autres, elle tombe à 0,0003.

Les étoiles jeunes et actives fabriqueraient-elles simplement mieux les méga-Terres ? Les auteurs n’y voient aucune raison. En construire une demanderait des collisions supplémentaires, une migration vers des orbites de 0,8 à 20 jours, et peut-être l’arrachement d’une épaisse atmosphère — tout cela prend du temps. Ces mondes devraient plutôt préférer les étoiles plus vieilles.

Là où les masses déraillent

Toutes les mesures d’origine utilisaient des processus gaussiens, un outil statistique qui modélise le bruit de l’étoile pour isoler le signal de la planète. Mais un modèle trop souple peut absorber le mauvais signal et produire des masses trop grandes. Les cas paraissent fragiles :

• Autour de WASP-84, l’agitation de l’étoile (environ 13 m/s) est plus grande que le signal de la planète (7,7 m/s).
• TOI-2322 tourne sur elle-même en 21,28 jours ; sa planète fait le tour en 20,23 jours.
• HD 63433 b, la plus lourde avec 37 masses terrestres, n’a pas du tout été détectée par une seconde équipe, qui fixe une limite supérieure de 21 masses terrestres.
• Trois des planètes sont sous un seuil publié de rapport signal sur bruit en dessous duquel ces modèles sont connus pour être peu fiables.

Les auteurs rappellent un précédent : une autre planète dont la masse s’est révélée gonflée d’un facteur trois par un signal périodique non traité.

Pas de géantes rocheuses — pour l’instant

Leur conclusion : rien ne prouve de façon convaincante l’existence de planètes rocheuses au-delà de dix masses terrestres. Les masses par vitesses radiales de planètes autour d’étoiles actives méritent du scepticisme, « en particulier quand l’existence de ces planètes remettrait en cause nos idées sur la formation des planètes ». Ils proposent de programmer les observations pour bien échantillonner à la fois l’activité de l’étoile et la planète.

L’argument est statistique et repose sur un petit échantillon : huit planètes et 37 étoiles. Les auteurs n’ont pas refait les ajustements de masse d’origine.