Dans un volume spécial de la revue internationale Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy de novembre 2016 consacré à l’étude des interactions de marées, deux chercheurs de l’Université de Namur et du Service d’Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA-Irfu viennent de calculer l’évolution des orbites de planètes de différentes masses, proches d’une étoile centrale de petite masse. Leur modèle est le premier à prendre en compte simultanément l’évolution au cours du temps de la structure et de la rotation de l’étoile centrale et son impact sur les interactions de marées entre étoile et planète. Ils démontrent que les orbites de planètes proches peuvent être fortement influencées par les changements de la structure et de la rotation de l’étoile qui peuvent conditionner ainsi la survie ou la disparition de la planète.
Vers une vision intégrée de l’évolution des systèmes planétaires
Depuis la découverte de la première planète extrasolaire en 1995, plus de 2950 planètes ont maintenant été découvertes autour d’étoiles de masses et de stades évolutifs variés. Ces planètes font parfois partie de systèmes multi-planétaires dont l’architecture est très différente de celle de notre système solaire et suscite de nombreuses questions sur leur formation et leur stabilité.
Simultanément, la compréhension des interactions de marées (et électromagnétiques) entre l’étoile hôte et le cortège planétaire connaît depuis ces dernières années une révolution. Les effets de marée sont les interactions gravitationnelles entre deux corps non ponctuels qui se traduisent par exemple dans le système Terre-Lune par les marées océaniques et leur dissipation par la friction visqueuse. Des modèles hydrodynamiques de plus en plus détaillés et réalistes des flots de marée et de leur dissipation, qui régissent en partie les évolutions de la rotation et des orbites des corps, montrent ainsi que cette dernière varie sur plusieurs ordres de grandeur le long de l’évolution de l’étoile, en fonction de sa structure et de sa rotation. Il faut donc désormais faire évoluer de façon importante les modèles d’évolution à long terme de l’orbite des systèmes planétaires qui ignorent jusqu’à présent l’impact des changements de la structure et de la rotation de l’étoile hôte sur les interactions étoile-planètes.
Vue d’artiste de la diversité des systèmes exoplanétaires (Crédits: ESA/ C. Carreau).
Une évolution potentiellement bouleversée
Les chercheurs E. Bolmont et S. Mathis ont étudié pour la première fois l’évolution orbitale de planètes de différents types en prenant en compte de manière simultanée les évolutions de la structure et de la rotation de l’étoile et son impact sur les interactions de marées et le freinage magnétique dû au vent stellaire.
Pour les planètes les plus massives et les plus proches de leur étoile, appelées aussi Jupiter « chauds », l’évolution orbitale est très différente suivant que l’on prend en compte l’ancien modèle où la dissipation est considérée comme constante ou le nouveau modéle où la dissipation dépend de la structure et de la rotation de l’étoile.
Dans le cas d’une planète ayant la masse de Jupiter orbitant autour d’une étoile semblable à notre Soleil, l’ancien modèle prédit un plongeon potentiel de la planète vers l’étoile et donc sa disparition. Le nouveau modèle prédit lui qu’au dessus d’une certaine valeur initiale de la séparation orbitale, la planète migre au contraire fortement vers l’extérieur et s’éloigne de l’étoile du fait de la forte dissipation des marées au sein de l'étoile lorsque celle-ci tourne rapidement. L’évolution de la planète dépend ainsi très fortement de la rotation et de la structure de l’étoile hôte. Ce nouveau modèle pourrait permettre de mieux comprendre l’absence de Jupiter proches observée autour des étoiles en rotation rapide.
A gauche : Evolution de la distance étoile-planète (en Unités Astronomiques) en fonction des conditions initiales (différentes couleurs) et suivant la prise en compte des nouveaux modèles physiques pour les marées stellaires (en lignes continues) ou non (en lignes pointillées).
A droite : Freinage de la rotation d’étoiles de différentes masses (0.6 (lignes continues), 1 (en lignes point-tirets) et 1.2 (tirets) masses solaires (en jours)) due à la présence d’une planète en fonction de la masse de la planète. L’écart de période est représenté pour différentes conditions initiales de distance étoile-planète (du mauve au vert en allant des petites vers les grandes distances).
Une attraction mutuelle
Si la rotation de l’étoile centrale influence l’évolution de l’orbite de la planète, cette dernière peut aussi influencer l’étoile et rétroagir sur la rotation de celle-ci du fait de la marée (beaucoup plus faible) appliquée par la planète sur l’étoile.
Les travaux des chercheurs prédisent qu’une planète proche ayant une masse supérieure à dix fois la masse de la Terre réussit ainsi à freiner notablement la rotation de son étoile.
L’intérêt majeur de ce résultat est que ce freinage est potentiellement mesurable grâce aux données du satellite Kepler et des missions futures TESS (NASA) et PLATO (ESA) qui seront lancées respectivement en 2017 et en 2024, et auxquelles participent les astrophysiciens du Service d’Astrophysique-Laboratoire AIM du CEA-Irfu. La rotation des étoiles influençant leurs propriétés chimiques et leur magnétisme, il est devient donc évident qu’il faut maintenant étudier les couples étoile-planète de manière intégrée ouvrant ainsi de nombreuses perspectives pour l’étude des systèmes planétaires en cours et à venir et pour une compréhension approfondie de l’évolution de notre propre système solaire.
Contact : Stéphane MATHIS
Publication :
« Effects of the rotation and tidal dissipation history of stars on the evolution of close-in planets »
Emeline Bolmont [1] et Stéphane Mathis [2]
[1] Université of Namur (Belgique), [2] Service d’Astrophysique-Laboratoire AIM (CEA- France)
publié dans la revue Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy, volume 126 (Novembre 2016), pages 275-296
pour une 
version numérique
Voir aussi : - Interactions magnétique étoile-planète (18 janvier 2016)
- Les étoiles vieillissantes remises à l’heure (04 janvier 2016)
- Les marées, élément clé de la relation entre étoiles et planètes (06 octobre 2015)
- PLATO (PLAnetary Transits and Oscillations of star) (20 février 2014)
- Modéliser l’évolution dynamique des étoiles et de leur cortège planétaire (13 avril 2015)
Rédaction : E. Bolmont, S. Mathis, J.M. Bonnet-Bidaud
• Structure et évolution de l'Univers › Planètes, formation et dynamique des étoiles, milieu interstellaire
• Le Département d'Astrophysique (DAp) // UMR AIM
• Dynamique des Etoiles, des Exoplanètes et de leur Environnement
