Autour de l’étoile TOI-201 se cache un système planétaire jamais vu : des super-Terres brûlantes et une naine brune massive sont les « protagonistes » d’un ballet gravitationnel unique.
Il existe à plusieurs dizaines de années-lumière de nous un système planétaire qui ne ressemble à rien de connu : il est possible de l’observer se transformer en temps réel. Il se nomme TOI-201 et tourne autour d’une étoile de type F, plus chaude et plus massive que le Soleil.
Pour cartographier son architecture en trois dimensions, une équipe dirigée par Ismael Mireles, doctorant à l’Université du Nouveau-Mexique sous la direction de la professeure Diana Dragomir, a publié les résultats dans Science Advances, révélant trois mondes différents, liés par une danse gravitationnelle que nul autre système connu ne peut offrir.
Trois mondes
Le premier habitant du système (et le plus petit) est TOI-201 d, une super-Terre rocheuse. Avec un diamètre environ 1,4 fois celui de la Terre et une masse six fois supérieure, elle orbite autour de son étoile en moins de six jours (5,85 jours, pour être précis), si près que la présence d’eau liquide en surface est impensable.
Plus éloigné se situe TOI-201 b, un « Jupiter chaud » — ou plutôt « tiède ». Avec environ la moitié de la masse de Jupiter, il effectue son orbite en 53 jours, se plaçant dans une zone de transition entre les Jupiters chauds classiques (qui orbitent en quelques jours, très près de l’étoile) et les géants gazeux froids comme notre Jupiter, qui mettent environ douze ans pour effectuer un tour.
Selon la NASA, TOI-201 b se situe à environ 0,3 unité astronomique (UA) de son étoile. Cette catégorie intermédiaire reste enveloppée de mystère : les astronomes peinent à expliquer comment ces planètes ont atteint les orbites dans lesquelles elles se trouvent aujourd’hui.
La « star » del sistema solare
Le véritable protagoniste, toutefois, est TOI-201 c : une naine brune dont la masse équivaut à environ 14,2 fois celle de Jupiter, qui met 7,7 ans pour compléter une orbite et se situe en moyenne à 4,28 unités astronomiques de l’étoile. C’est le corps céleste le plus massif du système après l’étoile et son influence gravitationnelle est celle qui gouverne l’ensemble de la dynamique du système. Mais ce qui le rend vraiment exceptionnel est un autre record : c’est l’objet en transit au plus long périod orbitale jamais découvert.
Son orbite est fortement excentrique, avec une excentricité d’environ 0,6, et au périastre (le point de maximum rapprochement à l’étoile) il se trouve à environ 1,5 unité astronomique, malgré un demi-grand axe de 4,3 unités astronomiques.
« TOI-201 c est unique par son périodique extrêmement long et par sa position dans un système avec deux planètes internes », a expliqué Mireles, « La plupart des naines brunes en transit connues orbitent beaucoup plus près de leur étoile ».
Il convient de rappeler ce qu’est exactement une naine brune : un corps dont la masse est au moins 13 fois celle de Jupiter, mais pas suffisamment massive pour déclencher dans son noyau la fusion de l’hydrogène comme le ferait une étoile véritable. Un objet à mi-chemin entre une géante et une étoile manquée.
Le signal caché dans le bruit
Le système est connu depuis des années, mais la présence de la naine brune est apparue grâce à une méthode indirecte et patiente : les Variations du Temps de Transit (TTV). En analysant les données recueillies par le télescope spatial TESS sur 32 secteurs d’observation, les chercheurs ont constaté que les transits de TOI-201 b montraient des déviations par rapport à la cadence attendue allant jusqu’à 30 minutes : des anomalies trop importantes pour être des erreurs de mesure, et qui indiquaient sans équivoque la présence d’un compagnon gravitationnel caché. Pour confirmer et caractériser le système, l’équipe a combiné plusieurs techniques.
Outre les TTV, la spectroscopie de vitesse radiale a permis de mesurer l’oscillation de l’étoile causée par les planètes en orbite, déduisant ainsi leurs masses (les spectrographes CORALIE, HARPS, PFS et FEROS au Chili, ainsi que MINERVA-Australis en Australie). Ensuite, la photométrie de transit a exploité les données de TESS et les observations du télescope ASTEP en Antarctique, ainsi que le réseau LCOGT, avec des instruments situés au Chili, en Australie et en Afrique du Sud. Enfin, l’astrométrie a puisé dans les données des missions spatiales Hipparcos et Gaia pour repérer les minuscules déplacements apparents de la position de l’étoile causés par le compagnon massif.
Orbite inclinée et un’architettura sans precedenti
Ce qui a surpris les chercheurs, ce n’est pas la découverte elle-même, mais la géométrie globale du système. Les orbites des trois corps ne sont pas alignées sur le même plan, comme on pourrait s’attendre s’ils étaient tous issus du même disque protoplanétaire. Elles s’inclinent les unes par rapport aux autres, et cette inclinaison mutuelle génère des interactions gravitationnelles qui modifient lentement les orientations des orbites — les rendant observables en temps réel.
« Ce n’est pas l’observation isolée qui compte, mais le fait que l’un des seuls systèmes où l’on peut suivre activement les changements des orbites planétaires sur des échelles temporelles compatibles avec la vie humaine », a expliqué Mireles.
« Cela offre une rare fenêtre en temps réel sur la dynamique des systèmes planétaires ». La plupart des systèmes évoluent en effet sur des échelles de millions d’années, invisibles à tout observateur humain. « Ce fut une surprise », a ajouté Dragomir, « si les planètes naissent sur le plan du disque protoplanitaire, on s’attendrait à des orbites alignées comme dans notre système solaire ». Il est dès lors légitime de se demander : « Comment ces trois objets ont-ils pu se retrouver avec des orbites aussi inclinées ? ». Peut-être que l’un d’eux a été capturé au fil de son passage dans l’espace ? Ou bien quelque chose de catastrophique s’est produit dans le système et nous échappe ?
Un compte à rebours cosmique
Les implications pratiques de cette géométrie instable sont fascinantes. Dans environ 200 ans, la super-Terre cessera de transiter devant l’étoile. Quelques siècles plus tard, ce sera au tour du Jupiter tiède et, plus tard encore, de la naine brune. Mais ce ne sera pas pour toujours : des milliers d’années dans le futur, tous les trois recommenceront à transiter, suivant des cycles cosmiques de visibilité et d’invisibilité.
Dans l’immédiat, toutefois, un rendez-vous est déjà fixé : le prochain transit de TOI-201 c est prévu pour le 26 mars 2031, un événement qui offrira une opportunité rare d’observations de suivi dans le monde entier, y compris de la part de scientifiques citoyens.
« Chaque nouvelle observation de transit par ASTEP et LCOGT, chaque nouvelle mesure de vitesse radiale, a progressivement levé le voile sur ce système », a conclu Mireles. « Et l’architecture tridimensionnelle qui en ressort — unique en son genre — est au cœur des interactions dynamiques qui jusqu’ici demeuraient invisibles ».
