Le satellite de la NASA TESS, en orbite depuis un an, vient de découvrir une planète type Saturne-chaud par la méthode de transit devant son étoile hôte, TOI-197, dont les caractéristiques physiques ont été déduites des mesures en astérosismologie (étude des vibrations de l'étoile) par le même instrument. La planète découverte est un Saturne chaud qui gravite autour d’une étoile de masse voisine de celle du Soleil mais plus avancée dans le cycle d’évolution stellaire. Ces résultats, prometteurs, sont le fruit d’une collaboration internationale joignant moyens spatiaux et outils au sol. Trois chercheurs du Département d’Astrophysique/Laboratoire AIM du CEA-Irfu Saclay sont membres de ce projet qui soulignent aujourd’hui la synergie entre astérosismologie et science des exoplanètes. Ces travaux sont publiés dans la revue The Astronomical Journal.
La première détection combinant détection de transit et astérosismologie pour le satellite TESS
Le satellite TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), lancé le 28 avril 2018 et placé sur une orbite elliptique de 13,7 jours, a pour mission la caractérisation des systèmes planétaires de courte période de la quasi-totalité du ciel en orbite autour d’étoiles suffisamment brillantes pour permettre un suivi spectroscopique avec les instruments au sol. TESS observe ainsi des étoiles 30 à 100 fois plus brillantes que celles suivies par le satellite KEPLER. TESS observe actuellement le ciel de l’hémisphère Sud, en changeant de direction de pointage tous les 27 jours. L’étoile TOI-197 (TOI pour TESS Object of Interest), a été observée pendant un petit mois seulement, un temps court pour une étude astérosismique qui généralement requiert un suivi temporel plus conséquent.
Malgré cela les modes d’oscillation (vibrations) de l’étoile TOI-197 ont pu être détectés (figure ci-dessous à gauche) et ont conduit à la caractérisation précise de l’étoile : masse égale à 1,2 fois la masse du Soleil et rayon 2,9 fois celui du Soleil. Par ailleurs, les données ont également permis la détection par la méthode de transit d’une planète, dénommée TOI193.01, de période de 14,3 jours (figure ci-dessous à droite).
Cette caractérisation combinée de l’étoile et de la planète grâce aux données de TESS démontrent le potentiel du satellite, ainsi que la grande puissance de l’astérosismologie pour complémenter les études spectroscopiques pour la caractérisation des étoiles.
A gauche : Détection des modes d’oscillation de TOI-197 à une fréquence d’environ 430 μHz permettant l’estimation de l’âge de l’étoile (4,9 +/- 1,1 milliards d’années) ainsi que de sa masse et de son rayon. La magnitude de l’étoile (8,2 mag) a permis son suivi par les grands télescopes au sol notamment pour étudier sa composition chimique et déterminer sa température ou sa luminosité (5 fois la luminosité solaire) donnant ainsi une description plus complète et précise de l’étoile. A droite : Transit de la planète TOI-197.01 devant son étoile observée par TESS. La courbe représente l’éclat lumineux normalisé de l’étoile, qui diminue brusquement lors du passage de la planète devant celle-ci.
Un système étoile-planète rare
À ce jour, 4 036 planètes ont été découvertes et confirmées, orbitant principalement autour d’étoiles de masses inférieures à 2 fois la masse du Soleil. L’étoile TOI-197 ne fait pas exception, cependant sa particularité réside dans son état évolutif particulièrement tardif qui la classe dans la famille des « sous-géantes », un état intermédiaire entre les étoiles de type solaire et les géantes rouges, stade de l’évolution stellaire vers lequel se dirige le Soleil avant de se transformer en naine blanche. L’état évolutif de TOI-197 rend possible, grâce à la séquence d’observation déployée par TESS, la détection des fréquences d’oscillation basses de l’étoile et par-là même la déduction des paramètres physiques de l’étoile sous-géante. D’autre part, cette étude a permis de mettre en évidence la présence d’une planète de rayon 9,17 rayons terrestres et de masse de 60,5 masses terrestres, soit proche des valeurs de Saturne. La densité mesurée grâce à l'astérosismologie (0,431 g.cm-3 à 15 % près) place cette planète parmi les planètes de type Saturne-chauds, le mieux caractérisés à ce jour. Néanmoins la période orbitale n’est dans le cas présent que de 14,3 jours. Cette planète type Saturne-chaud est la première planète découverte par TESS orbitant autour d’une étoile dont les propriétés physiques ont pu être déterminées par astérosismologie par le même équipement.
Représentation de l’état évolutif de l’étoile TOI-197 (étoile orange) abritant la nouvelle planète découverte. Les points noirs représentent la position dans le diagramme de la température versus le rayon d'étoiles similaires au Soleil ; les points rouges représentent les étoiles très évoluées de type “Géantes rouges” et les points bleus les sous géantes. L’étoile TOI-197 est dans un état intermédiaire entre la phase de sous-ge?ante et de géante rouge, devenir du Soleil.
Des pistes prometteuses pour les futures missions
Ces caractéristiques à la fois de l’étoile hôte et de la planète sont les clefs pour la compréhension de l’évolution du couple planète-étoile. La planète Saturne-chaud TOI-197.01 détectée par TESS pourrait bien être un précurseur, encore mal compris, des populations de planètes gazeuses orbitant autour d’étoiles évoluant vers le stage de géante rouge. La détermination de l'âge de l'étoile hôte par l’astérosismologie combinée à l'observation de l’excentricité de l'orbite de TOI-197.01 a également des conséquences intéressantes sur les phénomènes de dissipation des marées dans la planète. L’étude présentée ici et ses résultats, combinant aste?rosismologie, spectroscopie, vitesse radiale et détection de transit, sont particulièrement utiles dans la préparation des méthodes d'analyse développées dans la cadre de la mission PLATO de l’Agence Spatiale Européenne dont le lancement est prévu en 2024.
Contact : Lisa Bugnet, Rafael A. Garcia, Stéphane Mathis
Publications : Ces travaux sont publiés dans la revue The Astrophysical Journal Volume 157, Issue 6, article id. 245, 14 pp. (2019)
Rédaction : L. Bugnet, R. Garcia, C. Gouiffès
• Structure et évolution de l'Univers › Planètes, formation et dynamique des étoiles, milieu interstellaire Thèmes de recherche du Service d'astrophysique
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• Dynamique des Etoiles, des Exoplanètes et de leur Environnement
