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De grandes découvertes éclairent la dynamique et l'évolution des systèmes de planètes

La route est encore longue avant de comprendre pleinement les exoplanètes. Pour aider les scientifiques à résoudre les points en suspens, un projet financé par l'UE étudie le rôle des planétésimaux binaires dans la formation des planètes, explore les satellites des planètes et étudie les processus physiques impliqués dans la formation des systèmes d'exoplanètes.
De grandes découvertes éclairent la dynamique et l'évolution des systèmes de planètes
Le projet GRAND (GRAvitational N-body Dynamics: Dynamics and evolution of multiple planetary systems) a deux objectifs principaux: comprendre la formation et l'évolution des satellites de planètes, des systèmes de nombreux satellites et des planétésimaux binaires, ainsi que leur rôle dans la formation des planètes, et caractériser les propriétés et l'évolution de systèmes de planètes.

Le projet court jusqu'en février 2017, mais il est déjà bien avancé. Parmi ses résultats les plus intéressants, citons la découverte que les corps entrant en collision avec des planètes de type terrestre pourraient avoir une composition très semblable à celle de la planète en question, une analyse détaillée de l'ordre des planètes dans les systèmes connus pour en posséder plusieurs, et des critères de stabilité pour la survie des satellites dans des systèmes à plusieurs planètes.

Le professeur Hagai Perets, coordinateur du projet GRAND et professeur adjoint au département de physique de l'institut Technion en Israël, présente les résultats déjà obtenus.

Pourquoi avoir choisi de vous intéresser aux systèmes à plusieurs planètes?

Parmi les milliers d'exoplanètes découvertes ces dernières années, beaucoup font partie de tels systèmes, et il est très probable que la plupart des systèmes «célibataires» ont d'autres planètes, pas encore détectées. De fait, toute tentative pour comprendre la formation des planètes et la structure des systèmes d'exoplanètes doit tenir compte des systèmes à plusieurs planètes. Au vu de mon expertise en dynamique stellaire et planétaire, ce domaine est un choix logique de par sa physique, riche et importante.

Quel est l'avantage spécial d'étudier l'évolution de tels systèmes?

Dans un système planétaire, l'interaction entre les planètes et leurs satellites a plusieurs rôles importants dans leur formation et leur croissance, via les collisions, ainsi que pour déterminer leur structure. Ces interactions surviennent à court et très long termes, et modifient les orbites des corps. Il est donc essentiel de comprendre ces interactions pour expliquer l'origine et les caractéristiques des exoplanètes et de notre propre système.

Quel genre de données avez-vous utilisées pour vos travaux?

Mes recherches sont principalement théoriques, et j'utilise des outils d'analyse et de simulation pour modéliser l'évolution des systèmes de planètes. J'utilise aussi des données provenant de simulations ainsi que d'observations, surtout celles de la mission Kepler de détection de transits de planètes, des missions d'exploration du système solaire et de ses satellites, et de télescopes au sol.

Vous avez notamment résolu une question en suspens depuis longtemps et concernant les similitudes de composition de la Terre et de la Lune. Pouvez-vous nous donner plus de détails sur ce point?

L'origine des satellites des planètes a été débattue au cours du siècle précédent. L'idée dominante des 40 dernières années est que la Lune résulte d'un impact colossal entre un objet de la taille de Mars et la proto-Terre. Les modèles basés sur cette idée ont pu expliquer la plupart des propriétés de la Lune et du système Terre-Lune.

Un point restait cependant inexpliqué, celui de la composition. En effet, la Terre et la Lune sont très similaires au niveau de la composition en isotopes. La simulation d'impacts géants a montré que la plupart des matériaux formant la Lune devait provenir du corps impactant et pas de la Terre elle-même, comme c'est le cas pour d'autres objets planétaires du système solaire tels que Mars et l'astéroïde Vesta. Ce problème est devenu encore plus sérieux avec l'amélioration des mesures de composition, qui ont montré à quel point la Terre et la Lune sont semblables.

Dans mes travaux j'ai revu certaines des hypothèses de base de cette idée, et j'ai notamment remis en question l'idée que la composition du corps impactant soit forcément si différente de celle des autres objets du système solaire. Nous avons utilisé des données générées par des dizaines de simulations de la formation de système de type solaire, et étudié la composition des planètes et des corps impactants de type terrestre. Nous avons constaté que si chaque planète peut avoir sa composition propre, celle du corps impactant (juste avant l'impact) était bien plus proche de celle de la planète touchée. En outre, et dans une partie non négligeable des cas, nous avons constaté qu'il y avait autant de ressemblances de composition entre la «lune» que l'on attend et la planète qui subit l'impact, qu'entre la Terre et la Lune. En d'autres termes, nous avons montré que ce problème de composition, vieux de 40 ans, pourrait bien ne pas être un problème du tout et que l'hypothèse de l'impact géant peut l'expliquer.

De quelle façon espérez-vous que votre étude de l'ordre des exoplanètes contribuera aux futures prévisions théoriques?

L'un de mes projets consiste à explorer l'ordre des planètes dans un exosystème. Par exemple, pour un système à trois planètes, nous pouvons les disposer dans six permutations différentes. L'ordre des planètes résulte d'une évolution très complexe, tout comme leurs autres propriétés comme l'excentricité de l'orbite ou la répartition des tailles. Ces deux dernières propriétés sont importantes car la répartition peut servir à contraindre le processus de formation des planètes. Elles sont donc étudiées de très près.

Par mes travaux, j'essaie de développer l'idée que l'ordre des planètes est une autre propriété jusqu'ici largement négligée, mais qui peut apporter autant voire plus d'informations que les autres propriétés, très étudiées. Nos premiers résultats montrent que l'ordre des planètes n'est pas trivial et contredit beaucoup des prévisions actuelles, apportant ainsi de nouvelles contraintes d'observation sur les théories de formation des exoplanètes.

Mis à part ces résultats, qu'avez-vous surtout retenu de vos travaux jusqu'à présent?

J'ai entre autres conçu une méthode entièrement nouvelle pour analyser les données de la mission Kepler afin de déterminer la répartition de l'inclinaison des orbites des exoplanètes et de leur étoile, un facteur important pour comprendre leur évolution. Cette nouvelle méthode a fourni pour la première fois la répartition statistique à grande échelle des inclinaisons et ses relations avec la taille des planètes, les distances et le nombre, ce que ne peut apporter aucune autre méthode.

Le projet s'achève en février 2017. Quel sera son impact lorsque vous aurez atteint tous vos objectifs?

J'espère que le projet apportera des éclaircissements et lancera l'étude de l'ordonnancement des systèmes à plusieurs planètes, pour mettre en relation et corréler les propriétés des planètes d'un même système, un point qui a rarement été étudié jusqu'ici. J'espère également changer notre vision des systèmes de satellites, de leur formation et de leur dynamique, par rapport au système Terre-Lune (que j'explore plus en détail) et aussi pour d'autres lunes de notre système solaire.

GRAND
Financé au titre de FP7-PEOPLE
page du projet sur CORDIS

Source: Entretien extrait du magazine research*eu consacré aux résultats, n° 53 p.7-8

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