Le télescope CHEOPS découvre quatre mini-Neptunes

À l’aide du télescope spatial CHEOPS, une équipe européenne incluant des astronomes des universités de Genève (UNIGE) et Berne (UNIBE) a réussi à confirmer sans équivoque l’existence de quatre nouvelles exoplanètes. Ces mini-Neptunes sont plus petites et plus froides et donc plus difficiles à détecter que les Jupiters chauds, un type d’exoplanètes abondamment identifié jusqu’à présent.

CHEOPS est une mission conjointe de la Suisse et de l’Agence spatiale européenne (ESA), sous la direction de l’UNIBE en collaboration avec l’UNIGE. Depuis son lancement en décembre 2019, ses mesures extrêmement précises ont contribué à de nombreuses découvertes clés dans le domaine des exoplanètes.

Solène Ulmer-Moll, postdoctorante au Département d’astronomie de la Faculté des sciences de l’UNIGE et au sein de la Division de la recherche spatiale et des sciences planétaires de l’Institut de physique de l’UNIBE, et Dr. Hugh Osborn, postdoctorant au sein de cette même Division, sont parvenus à détecter deux exoplanètes jusque-là insaisissables en exploitant les données non seulement de CHEOPS mais aussi du télescope TESS de la NASA. Nommées respectivement TOI 5678 b et HIP 9618 c, ces planètes ont une taille proche de celle de Neptune avec des rayons de 4,9 et 3,4 fois celui de la Terre. Les articles consacrés à ces découvertes ont été publiés dans «Astronomy & Astrophysics» et «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society».

CHEOPS observe la luminosité des étoiles afin de capter une très légère baisse lorsque, de notre point de vue, une planète en orbite autour d’une étoile passe devant celle-ci. En cherchant ces baisses de luminosité, appelées «transits», les scientifiques ont pu découvrir la majorité des milliers d’exoplanètes connues en orbite autour d’autres étoiles que le Soleil.

«Le satellite TESS de la NASA excelle dans la détection des transits d’exoplanètes, même pour les petites planètes qui sont bien plus complexes à trouver. Cela dit, TESS change de champ d’observation tous les 27 jours afin de couvrir rapidement la majorité du ciel, ce qui empêche de trouver des planètes avec des périodes orbitales plus longues», explique Hugh Osborn.

Malgré tout, TESS avait pu détecter des transits isolés autour des étoiles TOI 5678 et HIP 9618. En scrutant à nouveau le même champ deux ans plus tard, TESS a pu observer des transits semblables autour des mêmes étoiles. En dépit de ces observations, il n’était toujours pas possible de conclure sans équivoque à la présence de planètes autour de ces étoiles étant donné que les informations disponibles étaient incomplètes. «C’est là que CHEOPS entre en jeu: se focalisant sur une seule étoile à la fois, ce télescope est dédié au suivi plutôt qu’à la détection des exoplanètes. C’est donc l’outil parfait pour continuer à observer ces étoiles afin de trouver les informations manquantes», complète Solène Ulmer-Moll.

Hugh Osborn a développé un logiciel qui évalue et classe par ordre de priorité les périodes orbitales possibles de chaque planète. «Nous avons ensuite joué à une sorte de «cache-cache» avec les planètes, en utilisant CHEOPS», déclare le chercheur. «Nous le pointions vers une cible à un moment spécifique et. en observant ou non un transit, il était alors possible d’éliminer des hypothèses. Puis, nous réessayions à un autre moment calculé par le logiciel, jusqu’à n’avoir plus qu’une seule solution possible pour la période orbitale.» Cela a demandé respectivement cinq et quatre tentatives aux scientifiques pour confirmer sans l’ombre d’un doute l’existence des deux exoplanètes et déterminer une période de 48 jours pour TOI 5678 b et une période de 52,5 jours pour HIP 9618 c.

Grâce à ces périodes, l’équipe a pu effectuer des observations depuis le sol et utiliser une autre technique dite des vitesses radiales. Cela leur a permis de déterminer les masses respectives de 20 fois et 7,5 fois la masse terrestre pour TOI 5678 b et HIP 9618 c. En connaissant à la fois la masse et la taille d’une planète, donc sa densité, les scientifiques peuvent avoir une idée de sa composition interne. «Pour les mini-Neptunes cela dit, la densité n’est pas suffisante et il reste toujours plusieurs hypothèses possibles quant à leur composition: elles peuvent soit être des planètes rocheuses avec beaucoup de gaz, ou des planètes riches en eau avec une atmosphère surchargée de vapeur», explique Solène Ulmer-Moll.

Deux autres membres de l’équipe internationale, Amy Tuson de l’Université de Cambridge (GB) et Zoltán Garai de l’Institut d’Astronomie de l’Académie des Sciences de Slovaquie, ont identifié deux autres planètes similaires dans d’autres systèmes planétaires. «Étant donné que les quatre exoplanètes nouvellement découvertes orbitent autour d’étoiles brillantes, elles sont des cibles de choix pour un autre télescope spatial, le James Webb, qui pourrait permettre de résoudre l’énigme de leur composition interne.»

La plupart des atmosphères d’exoplanètes qui ont été observées jusqu’à présent sont celles de Jupiters chauds, qui sont des exoplanètes géantes, orbitant en moins de dix jours autour de leur étoile-hôte. «Ces quatre nouvelles planètes que nous avons détectées ont des températures plus modérées de «seulement» 217ºC et 277ºC. Ces températures rendent possible la présence de nuages ou la survie de molécules, qui seraient sinon détruites par l’intense chaleur des Jupiters chauds. Et le James Webb peut potentiellement les détecter», explique Hugh Osborn. Plus petites et avec des périodes orbitales plus longues que les Jupiters chauds, les quatre planètes nouvellement détectées sont un nouveau pas vers l’observation par transits de planètes similaires à la Terre.