Accélérer la découverte d'exoplanètes à l'aide des signatures chimiques des étoiles

À partir de La Conversation

- ce message rédigé par Nathalie Hinkel, Arizona State University

Les étoiles naissent quand d'énormes nuages ​​de poussière et de gaz s'effondrent sur eux-mêmes et s'enflammer. Ces nuages ​​sont constitués d'éléments bruts, comme l'oxygène et le titane, et chaque nuage a une composition unique qui imprime sur l'étoile. Et dans l'après-naissance stellaire – à partir de la matière qui n'a pas trouvé son chemin dans l'étoile – des planètes se forment.

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Les planètes se forment à partir d'un disque de poussière en orbite autour d'une étoile. Mopic/Shutterstock.com

Trouver des planètes en orbite autour d'étoiles lointaines, ou exoplanètes, est difficile. Il existe des méthodes éprouvées qui impliquent l'utilisation de grands télescopes pour détecter ces objets minuscules. Mais j'ai développé une stratégie plus rapide et plus puissante pour la chasse aux planètes, basée sur la chimie de l'étoile. je suis un astrophysicien planétaire. Certes, c'est un titre que j'ai inventé parce que je voulais quelque chose qui décrive réellement ce que je fais. J'étudie les éléments à l'intérieur des étoiles, leurs motifs et comment elles sont connectées aux planètes.

J'ai créé une énorme base de données d'étoiles et de leurs compositions élémentaires. Certaines de ces étoiles ont des planètes en orbite ; d'autres non. Lorsqu'une étoile a une planète en orbite, il peut s'agir d'une planète rocheuse plus petite, d'une planète gazeuse ou des deux. Cependant, toutes les étoiles ne peuvent pas avoir de planètes géantes de la taille de Jupiter, car ces planètes nécessitent une énorme quantité d'éléments et de matériaux pour se former.

Avec une petite équipe de chercheurs de l'Arizona State University, de l'Université de Californie, de Riverside, de l'Université Vanderbilt et de l'Université de New York, j'ai utilisé un logiciel qui recherche des modèles complexes dans les données stellaires pour comprendre quelles étoiles sont susceptibles d'avoir des planètes en orbite eux basés uniquement sur la composition chimique de l'étoile.

Maintenant, au lieu de regarder à travers d'énormes relevés de télescopes dans l'espoir de trouver la signature d'une planète, mon équipe peut accélérer la découverte et la caractérisation des planètes en analysant la composition de leurs étoiles hôtes. Sur les 4,200 360 étoiles que nous avons analysées, nous avons constaté qu'environ 90 étoiles ont plus de XNUMX % de chances d'héberger une planète géante. Maintenant, nous travaillons pour obtenir du temps sur un télescope pour tester nos prédictions.

Les étoiles et les planètes sont chimiquement liées les unes aux autres, car elles se forment toutes deux au sein du même nuage moléculaire. Les ingrédients bruts de la planète créent en fin de compte un environnement « vivant » et propice à la vie – ou non. NASA / JPL-Caltech

Le catalogue Hypatia et ses éléments

L'algorithme que nous avons développé utilise la composition chimique des étoiles dont nous savons qu'elles ont des planètes géantes en orbite pour déterminer quelle combinaison d'éléments - ou empreinte chimique - est commune aux étoiles qui hébergent des planètes. Mon équipe a ensuite utilisé cet algorithme pour examiner la chimie des étoiles non connues pour avoir des planètes afin de fournir un score de prédiction selon lequel une étoile est susceptible d'héberger une planète.

Il s'agit du logo du catalogue Hypatia montrant une représentation artistique d'Hypatia. Certains des éléments les plus importants des étoiles sont répertoriés à l'extérieur. Nahks Tr'Ehnl, CC BY-SA

La lumière brille de l'intérieur d'une étoile et est absorbée par les atomes de sa couche supérieure, créant un spectre stellaire. Les longueurs d'onde absorbées révèlent quel type d'éléments du tableau périodique sont présents. En utilisant une technique appelée spectroscopie, les scientifiques sont capables de mesurer la lumière de l'étoile et de mesurer la quantité, ou l'abondance, de ces éléments. J'ai compilé le plus grand catalogue d'éléments dans les étoiles proches dans le Catalogue Hypatie. Je l'ai nommé pour honorer l'une des premières femmes astronomes connues qui était une centrale électrique en 400 après JC

J'utilise le catalogue Hypatia pour comprendre les planètes d'un point de vue plus chimique ou compositionnel. Chaque étoile est composée de différentes combinaisons et quantités d'éléments, ce qui se reflète dans les planètes en orbite autour de l'étoile. Il peut y avoir une grande variété dans la composition chimique des planètes, de leur intérieur à leur surface.

Détecter physiquement les exoplanètes

Il existe deux techniques principales pour trouver ou détecter des exoplanètes.

La première est la technique de la « vitesse radiale », qui détecte lorsqu'une étoile vacille en présence d'une planète avec une forte force gravitationnelle.

Une autre stratégie consiste à rechercher un « blip » dans la lumière émise par une étoile, ce qui se produit lorsqu'une planète se déplace devant l'étoile (par rapport à la Terre) et atténue en fait la lumière stellaire. Ces deux méthodes recherchent les façons dont la planète influence l'étoile. Cependant, il est difficile de détecter les planètes car elles sont si petites par rapport à leur étoile – ce serait comme essayer d'observer une personne influencée par une goutte de pluie.

Les méthodes de vitesse radiale et de « blip » examinent la relation physique entre une étoile et une planète. Ceux-ci sont importants car ils déterminent la température, l'orbite et la dynamique que les scientifiques des exoplanètes utilisent pour définir si une planète peut être habitable. Cependant, aucune de ces méthodes de détection ne tient compte de la composition de l'étoile et de la planète. Et pourtant, comprendre la composition de la planète est vital pour prédire si elle est habitable.

Vue d'artiste de la fréquence des planètes autour des étoiles de la Voie lactée. Les planètes, leurs orbites et leurs étoiles hôtes sont toutes considérablement agrandies. ESO/M. Kornmesser, CC BY-ND

La composition planétaire est la clé de l'habitabilité

La planète Terre est « vivante » – elle bouge et se déplace de manière complexe. Les conditions de surface, comme la température et le temps, sont maintenues en s'appuyant sur le mouvement des continents, par exemple en la tectonique des plaques. Le cyclage de différents éléments ou molécules, comme le cycle oxygène-dioxyde de carbone, aide les organismes à respirer. Pour que les exoplanètes soient vraiment habitables pour la vie, des éléments de base doivent être présents sur la planète pour garantir que ces processus clés se produisent.

Nous, les scientifiques exoplanétaires, n'avons actuellement pas la technologie pour observer directement la surface ou l'intérieur d'une planète en dehors de notre système solaire. C'est en partie parce que les planètes sont si petites par rapport à leur étoile, nous aurions donc besoin de télescopes de grande puissance. C'est aussi parce que les planètes ne brillent pas ou n'émettent pas leur propre lumière.

Par conséquent, mes collègues et moi utilisons la composition stellaire comme indicateur de la composition de la planète. Les algorithme que nous avons développé est unique, car il examine le lien élémentaire entre une étoile et sa planète depuis le tout début. Cela rend les quelque 360 ​​étoiles hôtes probables de la planète géante que nous avons trouvées encore plus remarquables, car elles ont été identifiées par l'empreinte chimique.

Dans le cadre de cette recherche publiée dans The Astrophysical Journal, nous avons étudié une variété d'éléments différents, jusqu'à 16 à la fois. Nous voulions voir comment ces éléments s'influençaient les uns les autres et quels étaient les plus importants pour la détection des planètes et leur formation possible.

Nous avons découvert que le carbone, l'oxygène, le sodium et le fer étaient les éléments les plus importants pour prédire qu'une étoile avait une planète géante. Le carbone, l'oxygène et le fer sont tous des éléments très importants lorsqu'il s'agit de construire des planètes rocheuses et/ou gazeuses. Cependant, nous avons été surpris de découvrir que le sodium semblait également être un ingrédient essentiel des étoiles qui forment des planètes géantes. Le sodium n'est pas considéré comme un élément majeur de formation de planètes dans le système solaire.

Pour des raisons pratiques, nous n'avons pas utilisé l'algorithme pour examiner des planètes semblables à la Terre. Nous avons plutôt concentré notre étude et entraîné notre algorithme sur de grandes planètes gazeuses où les humains ne pourraient pas survivre. La plupart des exoplanètes que les astronomes ont découvertes à ce jour ont des tailles similaires à Neptune ou Jupiter car elles sont plus faciles à détecter.

Cependant, comme de nouvelles missions comme TESS et CHEOPS découvrir des planètes plus petites et de la taille de la Terre, nous aurons plus de données avec lesquelles entraîner l'algorithme pour rechercher des planètes rocheuses comme la Terre.

Nathalie Hinkel, Astrophysicien planétaire, chercheur principal au Southwest Research Institute et co-investigateur pour le Nexus for Exoplanet System Science (NExSS), Arizona State University

Cet article est republié de La Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.