L’existence d’une planète semblable à la Terre autour d’un soleil mort offre un espoir pour la survie ultime de notre planète

La découverte d’une planète semblable à la Terre, à 4 000 années-lumière de la Terre, dans la galaxie de la Voie Lactée, donne un aperçu d’un destin possible pour notre planète dans des milliards d’années, lorsque le Soleil se sera transformé en naine blanche et qu’une Terre détruite et gelée aura migré au-delà de l’orbite de Mars.

Ce système planétaire lointain, identifié par des astronomes de l’Université de Californie à Berkeley après des observations avec le télescope Keck de 10 mètres à Hawaï, ressemble beaucoup aux attentes pour le système Soleil-Terre : il se compose d’une naine blanche d’environ la moitié de la masse du Soleil et d’un compagnon de la taille de la Terre sur une orbite deux fois plus grande que celle de la Terre aujourd’hui.

Tel sera probablement le destin de la Terre. Le Soleil finira par gonfler comme un ballon plus grand que l’orbite actuelle de la Terre, engloutissant Mercure et Vénus au passage. À mesure que l’étoile se dilatera pour devenir une géante rouge, sa masse décroissante forcera les planètes à migrer vers des orbites plus éloignées, offrant à la Terre une mince chance de survivre plus loin du Soleil. Finalement, les couches externes de la géante rouge seront emportées, laissant derrière elles une naine blanche dense pas plus grande qu’une planète, mais ayant la masse d’une étoile. Si la Terre a survécu d’ici là, elle finira probablement sur une orbite deux fois plus grande que sa taille actuelle.

La découverte, à paraître dans la revue Astronomie de la natureinforme les scientifiques sur l’évolution des étoiles de la séquence principale, comme le Soleil, de la phase de géante rouge à celle de naine blanche, et sur la manière dont cela affecte les planètes qui les entourent. Certaines études suggèrent que pour le Soleil, ce processus pourrait commencer dans environ 1 milliard d’années, finissant par vaporiser les océans de la Terre et par doubler le rayon orbital de la Terre, si l’étoile en expansion n’engloutit pas d’abord notre planète.

Finalement, dans environ 8 milliards d’années, les couches externes du Soleil se seront dispersées, laissant derrière elles une boule dense et brillante – une naine blanche – qui aura environ la moitié de la masse du Soleil, mais sera plus petite que la Terre.

« Nous n’avons pas actuellement de consensus sur la question de savoir si la Terre pourrait éviter d’être engloutie par le soleil géant rouge dans 6 milliards d’années », a déclaré le responsable de l’étude Keming Zhang, ancien doctorant à l’Université de Californie à Berkeley, qui est maintenant boursier postdoctoral Eric et Wendy Schmidt AI in Science à l’UC San Diego.

« Dans tous les cas, la planète Terre ne sera habitable que pendant encore environ un milliard d’années, après quoi les océans de la Terre seront vaporisés par l’effet de serre incontrôlable – bien avant le risque d’être engloutis par la géante rouge. »

Le système planétaire fournit un exemple de planète qui a survécu, bien qu’elle soit située bien en dehors de la zone habitable de la naine blanche et qu’il soit peu probable qu’elle abrite de la vie. Elle a peut-être connu des conditions habitables à un moment donné, lorsque son hôte était encore une étoile semblable au Soleil.

« On ne sait pas si la vie peut survivre sur Terre pendant cette période (géante rouge). Mais le plus important est certainement que la Terre ne soit pas avalée par le Soleil lorsqu’elle devient une géante rouge », a déclaré Jessica Lu, professeure associée et présidente du département d’astronomie à l’Université de Californie à Berkeley. « Ce système découvert par Keming est un exemple de planète – probablement une planète semblable à la Terre, initialement sur une orbite similaire à la Terre – qui a survécu à la phase de géante rouge de son étoile hôte. »

La microlentille multiplie la luminosité des étoiles par mille

Ce système planétaire lointain, situé près du renflement au centre de notre galaxie, a attiré l’attention des astronomes en 2020 lorsqu’il est passé devant une étoile plus éloignée et a amplifié la lumière de cette étoile d’un facteur 1 000. La gravité du système a agi comme une lentille pour focaliser et amplifier la lumière de l’étoile d’arrière-plan.

L’équipe qui a découvert cet « événement de microlentille » l’a baptisé KMT-2020-BLG-0414 car il a été détecté par le réseau coréen de télescopes à microlentille dans l’hémisphère sud. Le grossissement de l’étoile d’arrière-plan, également dans la Voie lactée, mais à environ 25 000 années-lumière de la Terre, n’était encore qu’un minuscule point lumineux.

Néanmoins, la variation d’intensité sur deux mois environ a permis à l’équipe d’estimer que le système comprenait une étoile d’une masse environ égale à la moitié de celle du Soleil, une planète d’une masse proche de celle de la Terre et une très grosse planète d’une masse d’environ 17 fois celle de Jupiter, probablement une naine brune. Les naines brunes sont des étoiles ratées, dont la masse est juste inférieure à celle requise pour déclencher la fusion dans le noyau.

L’analyse a également permis de conclure que la planète semblable à la Terre se trouvait à une ou deux unités astronomiques de l’étoile, soit environ deux fois la distance entre la Terre et le Soleil. On ne savait pas exactement de quel type d’étoile il s’agissait, car sa lumière était perdue dans l’éclat de l’étoile d’arrière-plan agrandie et de quelques étoiles proches.

Pour identifier le type d’étoile, Zhang et ses collègues, dont les astronomes Jessica Lu et Joshua Bloom de l’Université de Californie à Berkeley, ont examiné de plus près le système de lentilles en 2023 à l’aide du télescope Keck II de 10 mètres à Hawaï, qui est équipé d’optiques adaptatives pour éliminer le flou de l’atmosphère. Comme ils ont observé le système trois ans après l’événement de lentille, l’étoile d’arrière-plan qui avait été agrandie 1 000 fois était devenue suffisamment faible pour que l’étoile de lentille soit visible s’il s’agissait d’une étoile typique de la séquence principale comme le Soleil, a déclaré Lu.

Mais Zhang n’a rien détecté sur deux images Keck distinctes.

« Nos conclusions reposent sur l’élimination des scénarios alternatifs, car une étoile normale aurait été facilement visible », a déclaré Zhang. « Comme la lentille est à la fois sombre et de faible masse, nous avons conclu qu’il ne peut s’agir que d’une naine blanche. »

« C’est un cas où ne rien voir est en réalité plus intéressant que de voir quelque chose », a déclaré Lu, qui recherche des événements de microlentille provoqués par des trous noirs de masse stellaire flottant librement dans la Voie lactée.

Découverte d’exoplanètes grâce à la microlentille

Cette découverte fait partie d’un projet de Zhang visant à étudier de plus près les événements de microlentille qui montrent la présence d’une planète, afin de comprendre les types d’étoiles autour desquelles vivent les exoplanètes.

« Il y a une part de chance dans tout cela, car on s’attendrait à ce que moins d’une étoile à microlentilles sur dix avec des planètes soit une naine blanche », a déclaré Zhang.

Les nouvelles observations ont également permis à Zhang et à ses collègues de résoudre une ambiguïté concernant l’emplacement de la naine brune.

« L’analyse initiale a montré que la naine brune se trouve soit sur une orbite très large, comme celle de Neptune, soit bien à l’intérieur de l’orbite de Mercure. Les planètes géantes sur de très petites orbites sont en fait assez courantes en dehors du système solaire », a déclaré Zhang, faisant référence à une classe de planètes appelées Jupiters chaudes. « Mais comme nous savons maintenant qu’elle orbite autour d’un vestige stellaire, cela est peu probable, car elle aurait été engloutie. »

L’ambiguïté de la modélisation est causée par ce que l’on appelle la dégénérescence par microlentilles, où deux configurations de lentilles distinctes peuvent donner lieu au même effet de lentille. Cette dégénérescence est liée à celle que Zhang et Bloom ont découverte en 2022 en utilisant une méthode d’IA pour analyser les simulations de microlentilles. Zhang a également appliqué la même technique d’IA pour exclure des modèles alternatifs pour KMT-2020-BLG-0414 qui auraient pu être manqués.

« La microlentille est devenue une méthode très intéressante pour étudier d’autres systèmes stellaires qui ne peuvent être observés et détectés par les moyens conventionnels, c’est-à-dire la méthode du transit ou la méthode de la vitesse radiale », a déclaré Bloom. « Il existe tout un ensemble de mondes qui s’ouvrent désormais à nous grâce au canal de la microlentille, et ce qui est passionnant, c’est que nous sommes sur le point de découvrir des configurations exotiques comme celle-ci. »

L’un des objectifs du télescope Nancy Grace Roman de la NASA, dont le lancement est prévu en 2027, est de mesurer les courbes de lumière des événements de microlentille pour trouver des exoplanètes, dont beaucoup nécessiteront un suivi à l’aide d’autres télescopes pour identifier les types d’étoiles hébergeant les exoplanètes.

« Ce qui est nécessaire, c’est un suivi minutieux avec les meilleures installations du monde, c’est-à-dire l’optique adaptative et l’observatoire Keck, pas seulement un jour ou un mois plus tard, mais de nombreuses années dans le futur, après que la lentille se soit éloignée de l’étoile d’arrière-plan afin que vous puissiez commencer à lever l’ambiguïté de ce que vous voyez », a déclaré Bloom.

Zhang a noté que même si la Terre était engloutie pendant la phase de géante rouge du Soleil dans environ un milliard d’années, l’humanité pourrait trouver refuge dans le système solaire extérieur. Plusieurs lunes de Jupiter, comme Europe, Callisto et Ganymède, et Encelade autour de Saturne, semblent avoir des océans d’eau gelée qui vont probablement fondre à mesure que les couches extérieures de la géante rouge se dilateront.

« À mesure que le Soleil deviendra une géante rouge, la zone habitable se déplacera autour de l’orbite de Jupiter et de Saturne, et nombre de ces lunes deviendront des planètes océaniques », a déclaré Zhang. « Je pense que, dans ce cas, l’humanité pourrait migrer vers ces régions. »

Les autres co-auteurs sont Weicheng Zang et Shude Mao de l’Université Tsinghua de Pékin, en Chine, qui ont co-écrit le premier article sur KMT-2020-BLG-0414 ; l’ancien doctorant de l’UC Berkeley Kareem El-Badry, aujourd’hui professeur adjoint au California Institute of Technology de Pasadena ; Eric Agol de l’Université de Washington à Seattle ; B. Scott Gaudi de l’Université d’État de l’Ohio à Columbus ; Quinn Konopacky de l’UC San Diego ; Natalie LeBaron de l’UC Berkeley ; et Sean Terry de l’Université du Maryland à College Park.