Un système exoplanétaire rare révélé après dix années d’observations

À 346 années-lumière de la Terre, dans la constellation du Cancer, une étoile de type solaire, légèrement plus grande et plus chaude que notre Soleil, est animée d'un oscillement infime. Ce frémissement trahit la présence d’exoplanètes, ces planètes en orbite autour d'une étoile, en dehors de notre Système solaire. L'existence de près de 6 000 d'entre elles a été confirmée. Près de 8 000 exoplanètes-candidates supplémentaires ont été découvertes au moyen de télescopes terrestres ou d'observatoires spatiaux, mais leur existence doit encore être confirmée. 

En 2015, le télescope spatial Kepler avait identifié cinq exoplanètes autour de cette étoile, nommée HIP 41378, en détectant les baisses de luminosité provoquées lorsqu'elles passaient devant elle. Mais le système restait encore largement énigmatique. Salomé Grouffal, chercheuse en post-doctorat à l'Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble, a repris cette décennie de mesures, fruit d'une collaboration internationale. L'étude, parue en 2026, livre enfin la masse des six planètes, et les signes de l'existence d'une septième.

UN SIGNAL PLUS LENT QU'UN PIÉTON 

Lorsqu'une planète passe devant son étoile, elle en masque une partie de sa lumière, ce qui donne des indices sur sa taille. C'est ainsi que Kepler avait repéré cinq des planètes de HIP 41378. Cette méthode, dite des transits, donne le rayon des planètes, mais pas leur masse. « Sans cette information, il est très difficile de déterminer leur composition », explique Salomé Grouffal.

Pour évaluer la masse d'une planète qu'on ne voit pas, les astronomes observent son effet sur l'étoile. En orbitant, chaque planète attire son astre et le fait osciller légèrement ; vue de la Terre, l'étoile se rapproche puis s'éloigne, et ce balancement se manifeste par d'infimes variations de vitesse. Par cette méthode, dite des vitesses radiales, les astronomes parviennent à déduire la masse de la planète. Dans le cas de HIP 41378, le mouvement est minuscule. « L'étoile ne "bouge" que de quelques mètres par seconde, ce qui est à la limite de ce que nos instruments peuvent mesurer », indique la chercheuse, un signal plus lent que la marche d'un piéton.

Débusquer un signal aussi ténu demande du temps, d'autant que les planètes lointaines l'étirent sur des années. « Pour le détecter, il faut observer le système sur une durée comparable à celle de son orbite », précise Salomé Grouffal. La planète la plus externe accomplissant sa révolution autour de son étoile en 542 jours, il a fallu observer plusieurs de ces révolutions. Aucun observatoire au sol ne la gardant en vue toute l'année, les mesures se sont étalées davantage.

Quatre ans de mesures avec plusieurs spectrographes répartis sur trois continents, puis cinq années avec ESPRESSO, le plus précis d'entre eux, installé sur le Très Grand Télescope européen au Chili, ont fini par isoler chaque signal. « Pour la première fois, nous connaissons leur masse ainsi que l'organisation globale du système », résume la chercheuse. « Il s'agit du premier système multiplanétaire avec des planètes à longues périodes orbitales [durée mise pour faire le tour de leur étoile] connu avec autant de précision » souligne-t-elle. 

UN PRÉCIEUX LABORATOIRE POUR LA PLANÉTOLOGIE

Le système est composé de deux familles. Près de l'étoile gravitent trois planètes plus petites que Neptune, HIP 41378 b, c et g, qui bouclent leur orbite en quinze, trente et un et soixante-trois jours. Leurs périodes obéissent à des rapports réguliers, « proches d'une chaîne de résonances, ce qui suggère qu'elles ont une histoire de formation commune », note Salomé Grouffal. La plus discrète des trois, HIP 41378 g, a été identifiée grâce aux vitesses radiales.

Plus loin, après une zone déserte, s'étend la seconde famille, trois planètes de la taille de Neptune à Saturne, dont les orbites durent de 280 à 540 jours. « Elles sont peu denses, ce qui indique qu'elles possèdent probablement une importante enveloppe de gaz », précise la chercheuse. Le plan sur lequel elles évoluent est incliné d'environ un degré par rapport à celui des planètes internes.

Cette double structure fait, en partie, l'intérêt du système. « Elles sont nées dans le même environnement, mais ont évolué différemment selon leur masse et la distance qui les sépare de l'étoile », observe Salomé Grouffal. Surtout, ces planètes lointaines passent devant l'étoile, ce qui n'arrive presque jamais : « les planètes les plus éloignées transitent rarement, car leur alignement avec la Terre doit être extrêmement précis. » Un système sur 200 environ se présente sous cet angle favorable, ce qui donne accès à des régions habituellement hors de portée, plus proches des confins de notre Système solaire. « C'est un excellent laboratoire pour étudier la formation et l'évolution des systèmes planétaires, et pour comparer leur architecture à celle de notre propre Système solaire », affirme la chercheuse. 

La future mission européenne PLATO prolongera cet effort, et cherchera des planètes semblables à la Terre, parfois sur de longues orbites. La détection ne suffira pas à les caractériser : « pour comprendre sa nature, il faut ensuite mesurer sa masse grâce à la méthode des vitesses radiales », rappelle Salomé Grouffal, qui voit en HIP 41378 « un véritable banc d'essai pour préparer le suivi des nombreuses planètes que PLATO devrait découvrir ».

LA PLANÈTE QUI DÉFIE LES MODÈLES

Une planète, dans ce système, se démarque des autres. La plus externe, HIP 41378 f, est presque aussi grande que Saturne, mais possède l'une des densités les plus faibles jamais mesurées, environ 0,17 gramme par centimètre cube. « C'est une densité bien inférieure à celle de Saturne, qui est déjà la planète la moins dense de notre Système solaire », souligne Salomé Grouffal. « Une planète aussi peu dense doit être constituée en grande partie de gaz » ajoute-t-elle. 

La chercheuse peine à expliquer une telle légèreté, « pour les planètes très proches de leur étoile, on pense que le fort rayonnement de celle-ci peut dilater leur atmosphère. Mais HIP 41378 f est trop éloignée pour que ce mécanisme fonctionne ». 

Salomé Grouffal avance deux hypothèses. Dans la première, la planète posséderait « une atmosphère très étendue, avec des brumes situées à haute altitude qui la font paraître plus grande qu'elle ne l'est réellement ». Dans la seconde, un vaste système d'anneaux, vu sous un angle particulier, pourrait élargir la surface qui masque l'étoile pendant le transit, « ce qui conduirait à surestimer le rayon de la planète et donc à sous-estimer sa densité ». Une chose est certaine, « elle met à l'épreuve nos modèles et montre qu'il existe encore des types de planètes que nous ne comprenons pas complètement », résume la chercheuse. 

Dix ans plus tard, HIP 41378 n'a pas encore livré tous ses secrets. Un signal compatible avec une septième planète, d'une période d'environ sept ans, attend confirmation : « il est encore trop tôt pour l'affirmer avec certitude », l'activité de l'étoile pouvant imiter la trace d'une planète. Les orbites de deux planètes intermédiaires gardent quant à elles une part d'ombre, et la planète f conserve son mystère dans l'attente de son observation par le télescope spatial James Webb. « Travailler sur ce système, c'est un peu comme un jeu de cache-cache : chaque fois que l'on pense avoir résolu une énigme, une nouvelle apparaît », conclut-elle.