Pourquoi les planètes de type Tatooine sont rares ? La relativité générale explique pourquoi les systèmes binaires hébergent peu de planètes

Introduction

Vous avez forcément cette image en tête : Luke Skywalker, mélancolique, observant un double coucher de soleil sur la planète désertique de Tatooine, dans Star Wars. C’est poétique, ça fait rêver. Mais dans la vraie vie, où sont ces mondes aux deux soleils ? C’est la question qui taraude les astronomes. Sur les plus de 4 500 étoiles connues pour héberger des planètes, et parmi les plus de 6 000 exoplanètes confirmées à ce jour — dénichées pour la plupart par le télescope spatial Kepler de la NASA et le satellite TESS —, les statistiques sont têtues.

Alors que la plupart des étoiles naissent par paires et devraient logiquement abriter des cortèges de planètes, on n’en compte que 14 en orbite autour d’étoiles binaires. 14, sur des milliers ! Il devrait y en avoir des centaines. Pourquoi un tel vide ? Des astrophysiciens de l’Université de Californie à Berkeley et de l’Université américaine de Beyrouth viennent de trouver le coupable. Et surprise : c’est la théorie de la relativité générale d’Einstein qui serait responsable.

Un véritable « désert » cosmique là où on attendait la foule

C’est un constat troublant. Les missions Kepler et TESS repèrent les planètes en observant la légère baisse de luminosité d’une étoile quand un astre passe devant. Avec cette méthode, Kepler a identifié environ 3 000 étoiles binaires à éclipses (quand l’une passe devant l’autre). Comme on sait qu’environ 10 % des étoiles solitaires (type Soleil) possèdent des planètes massives, les astronomes s’attendaient logiquement à trouver des grosses planètes autour de 10 % de ces binaires. Soit environ 300 étoiles.

Le résultat ? Une douche froide. Seulement 47 candidates ont été repérées, et parmi elles, seulement 14 ont été confirmées comme étant des planètes circumbinaires (qui tournent autour des deux étoiles). Et il y a plus étrange : aucune de ces 14 planètes ne se trouve autour de binaires « serrées », celles qui tournent l’une autour de l’autre en moins de sept jours.

Mohammad Farhat, chercheur postdoctoral à l’UC Berkeley et auteur principal de l’étude publiée le 8 décembre dans The Astrophysical Journal Letters, ne mâche pas ses mots : « Vous avez une pénurie de planètes circumbinaires en général, et un désert absolu autour des binaires avec des périodes orbitales de sept jours ou moins. » Pourtant, c’est précisément autour de ces couples serrés qu’on espérait en voir le plus.

L’explication réside peut-être dans une « zone d’instabilité ». M. Farhat souligne que les binaires possèdent une zone autour d’elles où aucune planète ne peut survivre à cause des interactions gravitationnelles à trois corps (les deux étoiles et la planète). Soit la planète est éjectée, soit elle est déchiquetée. D’ailleurs, 12 des 14 planètes connues orbitent juste au bord de cette zone dangereuse. Elles ont probablement migré là, car se former à cet endroit serait impossible. Comme l’illustre joliment M. Farhat : « Former une planète au bord de la zone d’instabilité reviendrait à essayer de coller des flocons de neige ensemble au milieu d’un ouragan. »

Quand Einstein sème la zizanie dans les orbites

C’est ici qu’entre en scène Jihad Touma, professeur de physique à l’Université américaine de Beyrouth et co-auteur. Il y a dix ans, il s’était déjà dit que la relativité générale devait influencer la danse des planètes autour des étoiles doubles, mais sans savoir à quel point. Avec Mohammad Farhat, ils ont creusé le sujet en utilisant des modèles mathématiques et informatiques. Le verdict est sans appel : la théorie d’Einstein change tout.

Pour comprendre, il faut visualiser la scène. Dans la plupart des systèmes binaires, les étoiles ont des orbites elliptiques (en forme d’œuf). Si une planète tourne autour, les forces gravitationnelles font « précesser » son orbite. En gros, l’axe de son orbite tourne sur lui-même, un peu comme une toupie qui vacille.

Mais voilà le hic : l’orbite des deux étoiles « vacille » elle aussi, principalement à cause de la relativité générale. Au fil du temps, les forces de marée rapprochent les étoiles, ce qui accélère leur vacillement. À l’inverse, le vacillement de la planète ralentit. Quand les deux rythmes se synchronisent, on parle de « résonance ».

Les conséquences sont dramatiques. L’orbite de la planète s’étire, devient follement elliptique. Elle s’éloigne très loin, puis frôle les étoiles de trop près. « Deux choses peuvent arriver », explique Mohammad Farhat. « Soit la planète s’approche trop, subit une dislocation par effet de marée ou se fait engloutir par une étoile ; soit elle est tellement perturbée qu’elle finit éjectée du système. Dans les deux cas, vous vous débarrassez de la planète. »

D’après leurs calculs, les effets relativistes perturberaient huit exoplanètes sur dix autour de binaires serrées. Et parmi elles, 75 % seraient purement et simplement détruites.

Le paradoxe de Mercure et l’avenir de la recherche

C’est assez ironique quand on y pense. La précession de l’orbite de Mercure autour de notre Soleil a été la première preuve historique confirmant la théorie d’Einstein en 1915. Des simulations ont même montré que ces effets relativistes ont probablement sauvé Mercure d’une éjection chaotique hors de notre système solaire. « La relativité générale stabilise les systèmes d’une certaine manière et les perturbe d’une autre », note philosophement Jihad Touma.

Cela ne signifie pas qu’il n’y a aucune planète autour de ces étoiles doubles. M. Touma insiste : « Il y a sûrement des planètes là-bas. C’est juste qu’elles sont difficiles à détecter avec les instruments actuels », car les seules survivantes orbitent trop loin pour nos méthodes de transit habituelles.

Pour la suite, les chercheurs comptent appliquer leurs modèles à des échelles encore plus grandioses, comme les amas d’étoiles autour de trous noirs supermassifs. Ils veulent aussi voir si cela explique la rareté des planètes autour des pulsars binaires (ces étoiles à neutrons qui tournent frénétiquement). En somme, même dans des systèmes simples où l’on pensait que la bonne vieille gravité de Newton suffisait, le fantôme d’Einstein continue de dicter sa loi.

Selon la source : phys.org

Créé par des humains, assisté par IA.