TRAPPIST-1

Quels atouts et difficultés TRAPPIST-1 présente-t-elle pour observer des planètes ?

Le rayon de TRAPPIST-1 équivaut à environ 12 % de celui du Soleil et dépasse à peine celui de Jupiter. Comme l’étoile est petite, une planète de la taille de la Terre qui passe devant elle masque près de 0,6 % de sa lumière. Cette variation est environ 70 fois plus grande que si la même planète passait devant le Soleil, ce qui favorise la mesure de sa taille et l’étude de son atmosphère. Mais la surface de l’étoile comporte des taches sombres, des régions brillantes et produit aussi des éruptions. Lorsque sa propre lumière varie avec le temps et la longueur d’onde, ces changements peuvent se mêler aux traces laissées par une atmosphère planétaire.

La petite taille de TRAPPIST-1 a facilité la découverte de ses sept planètes, mais l’étude de chaque atmosphère exige aussi de bien connaître les variations de l’étoile. Supposer que toute sa surface brille de la même façon peut faire apparaître un gaz absent de la planète, ou conduire à prendre un vrai signal atmosphérique pour une variation stellaire.

• Environ 40 années-lumière Distance entre le Système solaire et TRAPPIST-1
• Environ 12 % du rayon solaire Une étoile à peine plus grande que Jupiter
• Environ 9 % de la masse solaire Assez de masse pour entretenir la fusion de l’hydrogène au centre
• Environ 2 566 K Une température de surface proche de 2 300 °C

Pourquoi TRAPPIST-1 est-elle une étoile malgré sa taille comparable à celle de Jupiter ?

Les astronomes classent TRAPPIST-1 parmi les naines rouges ultrafroides de type M8V. « Ultrafroide » signifie froide en comparaison avec d’autres étoiles. Sa surface atteint environ 2 566 K, soit près de 2 300 °C : moins de la moitié de la température du Soleil, mais assez pour faire fondre roches et métaux. La majeure partie de sa lumière est émise dans l’infrarouge, à des longueurs d’onde supérieures à la lumière visible.

Bien que sa taille soit proche de celle de Jupiter, sa masse est environ 94 fois plus grande. Beaucoup plus de matière est rassemblée dans un volume comparable, ce qui porte son centre à une température et une pression suffisantes pour maintenir la fusion qui transforme l’hydrogène en énergie. C’est ce qui la distingue des planètes et des naines brunes incapables d’entretenir cette fusion. TRAPPIST-1 est une petite étoile proche de la masse minimale nécessaire pour en être une.

Pourquoi les planètes sont-elles plus faciles à détecter autour d’une petite étoile ?

La fraction de lumière masquée dépend de la différence de taille entre la planète et l’étoile. Le rayon de TRAPPIST-1 vaut environ 13 fois celui de la Terre : une planète de taille terrestre couvre donc près d’un cent-soixante-dixième de son disque. La lumière diminue d’environ 0,6 %, soit une variation près de 70 fois supérieure au passage de la Terre devant le Soleil.

L’étoile est petite et ses sept planètes accomplissent une orbite en seulement 1,5 à 18,8 jours ; elles passent donc souvent devant elle. Le télescope terrestre TRAPPIST et Spitzer ont ainsi pu confirmer les sept planètes, et Webb peut réunir plusieurs observations pour étudier leur atmosphère. Une forte proportion de lumière masquée ne signifie pas que l’étoile est brillante. TRAPPIST-1 est bien moins lumineuse que le Soleil, et il faut additionner de nombreuses observations pour distinguer de faibles variations.

Comment repérer l’atmosphère d’une planète dans la lumière de son étoile ?

Lorsqu’une planète passe devant son étoile, une partie de la lumière traverse l’atmosphère à son bord. Les gaz absorbent certaines longueurs d’onde, si bien que la planète y paraît très légèrement plus grande. Les chercheurs séparent la lumière selon sa longueur d’onde, puis comparent le moment où la planète n’est pas devant le disque stellaire à celui du transit. Le résultat s’appelle un spectre de transmission.

Cette méthode suppose que la lumière de départ était identique aux deux moments. La comparaison serait simple si toute la surface avait la même température, mais celle de TRAPPIST-1 n’est pas uniforme. Si la zone traversée par la planète diffère en température et en éclat du reste de la surface, l’écart mesuré contient à la fois l’effet de l’atmosphère et celui de la surface stellaire.

1. Mesurer la lumière hors transit La séparer par longueur d’onde et enregistrer son intensité.
2. La mesurer de nouveau pendant le transit Enregistrer de la même façon la lumière restante après le passage de la planète et de son atmosphère.
3. Comparer les deux résultats Calculer à quelles longueurs d’onde la planète a masqué davantage de lumière.
4. Retirer les changements produits par l’étoile Modéliser séparément l’effet des taches, des régions brillantes et des éruptions.
5. Vérifier que le signal se répète N’envisager un gaz atmosphérique que si la même trace revient dans plusieurs observations.

La surface changeante de l’étoile peut-elle imiter une atmosphère planétaire ?

Les taches sont plus froides et plus sombres que leur environnement ; les régions brillantes sont plus chaudes. Même si la planète ne les traverse pas, la lumière habituelle de l’étoile change selon la part de surface qu’elles occupent. Une tache froide ne s’assombrit pas pareil à toutes les longueurs d’onde et peut produire une forme qui ressemble à l’absorption de l’eau ou d’un autre gaz dans une atmosphère planétaire.

Si une planète traverse une tache, elle masque moins de lumière et l’éclat observé remonte brièvement ; si elle traverse une région brillante, l’étoile peut s’assombrir davantage. Les éruptions changent aussi rapidement la lumière ultraviolette, visible et infrarouge. Leur moment et leur effet variant selon la longueur d’onde, une seule observation ne suffit pas à tout séparer. Les premières observations de TRAPPIST-1 b par Webb ont elles aussi montré, d’une visite à l’autre, des caractéristiques apparemment produites par des taches ou des régions brillantes.

Devant une petite étoile, une planète masque une plus grande part de la lumière. Mais pour connaître précisément son atmosphère, il faut aussi calculer la différence d’éclat entre les zones couvertes et découvertes.

Comment distinguer les signaux de l’étoile et de la planète ?

Un seul transit ne permet pas de distinguer sûrement les variations de l’étoile des traces atmosphériques. Les chercheurs comparent des transits observés à différentes dates et enregistrent l’éclat ainsi que les éruptions avant et après. Deux planètes observées à peu d’intervalle fournissent aussi deux jeux de données avant que la surface stellaire change beaucoup, ce qui aide à repérer l’effet de l’étoile.

La diminution de la lumière totale quand une planète passe derrière l’étoile renseigne sur la chaleur émise par son côté jour. Cette information diffère de celle obtenue lors du passage devant l’étoile. Il faut vérifier si plusieurs longueurs d’onde et méthodes conduisent à la même explication atmosphérique. Selon la NASA, distinguer avec certitude une atmosphère pourrait, suivant la planète, nécessiter des centaines de transits pendant plusieurs années. Il s’agit d’une estimation de la difficulté due aux variations stellaires, pas d’un nombre d’observations déjà fixé.

Une étoile âgée peut-elle encore produire des éruptions ?

L’âge de TRAPPIST-1 est estimé à environ 7,6 milliards d’années, avec une incertitude d’environ 2,2 milliards d’années dans chaque sens. Elle est plus vieille que le Soleil, mais un âge avancé n’entraîne pas nécessairement la disparition de l’activité magnétique. Les naines rouges évoluent lentement et peuvent conserver activité et éruptions très longtemps.

L’étoile est faible, si bien que les planètes doivent orbiter près d’elle pour recevoir une quantité modérée de lumière. Les sept sont plus proches de leur étoile que Mercure ne l’est du Soleil. Les ultraviolets et les rayons X des éruptions peuvent modifier les molécules atmosphériques et favoriser la fuite de certains gaz. Mais la présence d’éruptions ne prouve pas qu’une planète donnée ait perdu son atmosphère. Le résultat dépend de l’épaisseur initiale de celle-ci, d’un éventuel champ magnétique et de l’apport de nouveaux gaz depuis l’intérieur.

L’image de cette page n’est ni une photographie détaillée de la surface de TRAPPIST-1 ni sa couleur réelle pour l’œil humain. Les taches et régions brillantes ont été dessinées pour expliquer les variations de lumière. Les observations établissent la taille, la masse et la température globales de l’étoile, ainsi que l’évolution de sa lumière au fil du temps.

Sources

• NASA Exoplanet Archive — TRAPPIST-1
• NASA Science — Que révèle Webb sur le système TRAPPIST-1 ?
• NASA Science — Webb mesure la température de TRAPPIST-1 b
• NASA Science — TRAPPIST-1 est plus vieille que le Système solaire
• Nature — Sept planètes telluriques tempérées autour de TRAPPIST-1
• The Astrophysical Journal Letters — Forte contamination stellaire dans les spectres de TRAPPIST-1 b
• The Astronomical Journal — Correction stellaire par transits consécutifs