Il reste de nombreuses exoplanètes non découvertes – les mathématiques peuvent nous aider à les trouver

À seulement 12 années-lumière de la Terre, Tau Ceti est l'étoile unique la plus proche semblable au Soleil et l'une des préférées de tous les temps dans les histoires de science-fiction. Les mondes habitables en orbite autour de Tau Ceti étaient des destinations de vaisseaux fictifs comme Nauvoo de «The Expanse» et le vaisseau de «Barbarella». Le capitaine Picard de «Star Trek» fréquentait également un bar exotique du système. Maintenant, grâce à une nouvelle approche pour analyser les systèmes planétaires proches, nous avons une compréhension plus profonde des mondes réels qui gravitent autour de Tau Ceti et de nombreuses autres étoiles proches. est resté pour la plupart inaccessible aux investigations scientifiques. Tout cela a changé au cours de la dernière décennie, lorsque les télescopes spatiaux de chasseurs d'exoplanètes de la NASA Kepler et TESS ont ajouté des milliers de nouvelles planètes au décompte auparavant court de mondes extraterrestres.

Nous, ] astrophysiciens et chercheurs sur les exoplanètes à l ' Université de l'Arizona Steward Observatory et Lunar and Planetary Laboratory et membres du réseau de coordination de recherche des exoplanètes NExSS de la NASA ont longtemps été fascinés par les secrets que les systèmes planétaires inexplorés à proximité peuvent détenir.

Nous avons maintenant développé une nouvelle façon de déterminer s'il existe des planètes encore inconnues dans ces systèmes. Nous avons réalisé qu'en combinant ce que l'on sait d'un système planétaire donné avec des règles statistiques simples, nous pouvons prédire où les planètes encore non détectées peuvent résider et quelle peut être leur taille – tout comme deviner quelles pièces manquent dans un puzzle partiellement terminé. La nouvelle analyse peut guider les découvertes de nouvelles planètes, aider à compléter les cartes des systèmes planétaires dans le voisinage solaire et informer les futures recherches sur la vie.

Construire des systèmes avec Dynamite

Notre modèle, surnommé Dynamite combine quatre ingrédients pour prédire les mondes cachés. Premièrement, Dynamite considère les emplacements et les tailles de toutes les planètes actuellement connues dans un système donné . En général, plus il y a de planètes connues dans le système, plus il est facile de prédire s'il en manque. La deuxième considération est de savoir que les planètes sont plus susceptibles d'être plus proches de l'étoile que plus éloignées. Dynamite utilise une description mathématique – construite grâce à des études statistiques de milliers d'exoplanètes connues – de la distance probable de leurs planètes étoiles hôtes.

Bien que les planètes soient probablement plus proches de leurs étoiles hôtes, elles ne peuvent pas toutes être bloquées. ensemble. Les planètes s'attirent toutes par gravité, ce qui est beaucoup plus fort lorsque les planètes sont plus proches. Ainsi, des planètes trop proches se déformeront les unes des autres, conduisant souvent à des interactions chaotiques et même à l'éjection d'une des planètes de leur système de naissance. Ce critère de stabilité est le troisième élément important que Dynamite utilise pour prédire l'architecture du système planétaire.

Le quatrième composant est un modèle mathématique dans les longueurs des orbites des planètes adjacentes ( certaines configurations sont plus probables que d'autres ). Ensemble, Dynamite essaie de construire des systèmes planétaires modèles qui sont similaires aux systèmes planétaires réels, avec une collection compacte et stable de planètes en orbite autour de leurs étoiles hôtes.

Nous n'étions pas sûrs qu'une telle recette relativement simple puisse être utilisée pour prédire avec succès planètes manquantes. Pour tester Dynamite, nous lui avons donné quelques systèmes multi-planétaires connus avec une torsion: dans chaque système, nous avons caché une ou deux des planètes connues de l'algorithme. Dans les cas testés, Dynamite a réussi à prédire s'il manquait une ou deux planètes et où ces planètes pourraient se trouver, et pourrait même deviner correctement leurs tailles.

Aujourd'hui, Dynamite ne peut être testée que sur des systèmes avec des orbites planétaires similaires à celles de la Terre. ou plus petit. C’est parce que nous manquons de données sur les systèmes planétaires extérieurs, nous ne pouvons donc pas encore détecter des planètes lointaines – l’équivalent de Neptune. Davantage de données permettront d’affiner les quatre règles de Dynamite de construction d’un système planétaire et d’améliorer ses prédictions. Pourtant, nos prédictions pour plus de 50 systèmes planétaires partiellement explorés, découverts par le télescope spatial TESS de la NASA, guident déjà la recherche de mondes cachés.

À la recherche de la vie dans des systèmes proches

Les planètes les plus excitantes à prédire et à rechercher la volonté être les plus proches de nous – les mondes que nous ciblerons probablement dans les recherches futures de signatures de vie extraterrestre.

Dans notre étude la plus récente nous avons appliqué Dynamite au système partiellement exploré de Tau Ceti, où quatre planètes sont déjà connues . Des signaux faibles indiquant la présence potentielle de plusieurs autres planètes candidates ont également été signalés mais leur présence n'a pas été vérifiée .

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Sur la base de notre modèle, nous prédisons que trois des planètes candidates sont de vraies planètes. De plus, nous prédisons qu’un autre monde, encore invisible, existe. Cette nouvelle planète, que nous appelons Tau Ceti PxP-4, est particulièrement excitante car elle se trouve dans la zone tempérée de Tau Ceti – la région autour de l'étoile où une planète similaire à la Terre serait habitable. Notre analyse montre que PxP-4 peut être une planète gazeuse, semblable à notre Neptune, mais plus petite et plus chaude. Nous constatons, cependant, que PxP-4 est plus susceptible d'être une planète rocheuse, bien que plus grande que la Terre.

Un tel monde pourrait être détecté dans les années à venir avec les derniers instruments de chasse aux planètes et, s'il était confirmé, le serait une cible de choix pour les futures recherches de la vie. Et peut-être – un jour dans un futur lointain – le PxP-4 de Tau Ceti pourrait même abriter un bar exotique populaire parmi les officiers de Starfleet.

Cet article de Daniel Apai professeur agrégé d'astronomie et de sciences planétaires, Université d'Arizona et Jeremy Dietrich étudiant diplômé en astronomie, Université d'Arizona est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original .