Les planètes de TRAPPIST-1 ont subi peu d’impacts depuis leur formation

La petite étoile TRAPPIST-1, à 40 années-lumière de nous, possède une système planétaire fascinant : 7 planètes de type terrestre dont 3 ont des insolations comprises entre celles de Vénus et de Mars. Les périodes orbitales sont très courtes, de 1.5 jours pour la planète b, la plus interne, à 19 jours pour la h, la plus externe qui est malgré tout 6 fois plus proche de son étoile que Mercure de notre Soleil. Ce système très compact, dont la masse et le rayon des planètes ont pu être estimés à quelques %, se livre à un ballet étonnant. Pendant le temps que met la planète h a accomplir 2 orbites, la g en fait exactement 3, la f 4, la e 6, la d 9, la c 15 et la b 24 ! Les orbites sont en résonance les unes avec les autres : le rapport des périodes orbitales de deux planètes voisines est un rapport de deux petits nombres entiers. Dans le système solaire, les 4 lunes principales de Jupiter sont également sur des orbites résonantes. L’existence de ces résonances s’explique par la formation des planètes (ou des lunes dans le cas de Jupiter) au sein d’un disque de gaz. Quand les étoiles se forment, elles sont entourées d’un disque de gaz et de poussière où se forment les planètes, par collisions entre corps solides, petits au début et qui grossissent au cours du temps. Les interactions entre les planètes en formation et le disque qui les abritent produisent une migration des orbites. Durant leur migration, les orbites peuvent alors se trouver en résonance, et rester verrouillées ainsi tout en continuant de migrer. Ainsi, pendant cette phase de disque qui dure au maximum quelques millions d’années, la migration des planètes peut produire une chaîne de résonances dont un cas extrême est le système TRAPPIST-1.

Vue d’artiste des planètes du système Trappist-1 (credit: NASA/JPL-Caltech). Les résonances entre chaque paire de planètes sont indiquées.

Dans un article publié le 25 novembre par Nature Astronomy, Sean Raymond, du Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux, et son équipe ont montré que cette chaîne de résonances est très fragile dès lors que le disque de gaz n’est plus là pour la stabiliser : des impacts par ses astéroïdes ou des comètes peuvent briser l’harmonie de cet ensemble. Si nous observons aujourd’hui cette chaîne de résonance, c’est qu’aucune des planètes n’a subi d’impacts trop violents depuis la dissipation du disque. Pour quantifier la masse d’impacteurs qui ont pu percuter les planètes sans détruire la résonance, les auteurs de l’étude ont réalisé de nombreuses simulations numériques dans lesquelles le système est exposé à des collisions avec des populations de corps de masses et d’origines variables. Cette masse maximale d’impacteurs ainsi déterminée varie d’une planète à l’autre : pour les planètes externes, elle correspond à environ 1% de la masse des planètes mais cette valeur tombe à 0.02% pour la planète la plus interne. Les planètes avaient donc atteint leur masse finale quand le disque protoplanétaire a disparu. Cela diffère fortement du cas terrestre. La Terre n’a atteint sa masse finale que bien après la dissipation du disque protoplanétaire. En effet, la formation de la Lune, due à une collision entre la proto-terre et une planète d’environ 10% sa masse, s’est produite après 100 millions d’années d’évolution et on estime la masse reçue par la Terre après cet impact géant n’a pas dépassé 0.5% de sa masse. On peut en conclure que  la formation des planètes de TRAPPIST-1 a été 10-20 fois plus rapide que celle des planètes telluriques du système solaire et que l’histoire collisionnelle tardive est mieux contrainte pour les planètes de TRAPPIST-1 que pour notre propre Terre alors que l’on peut accéder à sa composition élémentaire et isotopique détaillée et que l’on peut compter (et parfois dater) les cratères lunaires.

Simulation hydrodynamique de 5 planètes migrant dans le gaz d’un disque protoplanétaire autour d’une étoile. Crédits: Arnaud Pierens.

• An upper limit on late accretion and water delivery in the Trappist-1 exoplanet system, Sean Raymond^(*), Andre Izidoro, Emeline Bolmont, Caroline Dorn, Franck Selsis^(*), Martin Turbet, Eric Agol, Patrick Barth, Ludmila Carone, Rajdeep Dasgupta, Michael Gillon, Simon L. Grimm,  Nature Astronomy

^(*) CNRS, Université de Bordeaux, Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux

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This poem describes the questions, methods and results of the paper An upper limit on late accretion and water delivery in the Trappist-1 exoplanet system by Sean Raymond et al., published on Nov. 25^th 2021 in  Nature Astronomy

Bombardment of seven orbs

By Sean N. Raymond

Look up at the Moon. Do you see those round cracks?
They’re craters resulting from massive impacts.
An object from space sped in and crashed down
Exploded and dug up a hole in the ground!

Just like the Moon, space junk hits Earth too.
Yup, Earth has some craters but only a few.
The reason: our craters are covered up fast
Tectonics erase the impacts from our past.

We love exoplanets, we’d love to compare
What kind of collisions on planets out there?
The challenge is huge, it couldn’t be greater
We have zero data – we can’t see a crater!

Now don’t give up hope. We found a neat trick
A workaround method that’s awfully slick
It only applies to just the right case
But where should we look? I know just the place.

Remember those planets that made such a splash
All over the world you could hear the plates crash?
The subject of poems and stories galore
The Trappist-1 system! Well guess what? There’s more!

Yes, this is the system – our method’s best chance.
The planets are trapped in a resonant dance.
Neighboring orbits are all in alignment
(Like dancers, each given a special assignment)

Take any two planets, let’s say d and e
When e completes two orbits, d has done three.
They meet up again at the very same phase
This is the resonance (that is the phrase).

When planets are hit by stuff floating in space
It crashes down, knocks them a bit out of place
If too many rocks hit a planet by chance
It breaks up the system’s whole resonant dance!

This means that the resonance, just its existence
Can tell us the planets have heaps of persistence
They haven’t received a strong enough push
To break up their dance. They’re still in the smush.

What impacts can make the resonance break?
Exactly how big of a kick does it take?
To figure this out, we used simulations
Each planet starts out in its present location
I threw some rogue leftover stuff in there too
Their gravity kicks can cause much ado

The Trappist-1 orbits are really not agile
The resonant structure is really quite fragile
A single rogue object the size of the Moon
Will break up the system and pop that balloon

The maximum number of planet collisions
Is really quite small. We can say with precision
That none of the planets was strongly bombarded
With very few impacts that might well have scarred it.

In total it’s less than the stuff that hit Earth
Since our Moon was formed, the time of its birth
The Trappist-1 system has been nice and calm
A peaceful existence like snuggles from mom.

The system is 40-odd light years away
But thanks to its orbital dance, its ballet
Our bombardment limits are just as precise
As we have for Earth. That’s really quite nice!

This means that the Trappist-1 planets formed fast
The resonant chain built way back in the past
Was formed within just a few millions of years
That’s ten whole times faster our Earth appeared!
(Well, really, Earth’s growth was just a lot slower
The rate of emergence was quite a bit lower.)

There’s something else that we can rightly deduce
From knowing these planets didn’t take much abuse
Those very few impacts could not have provided
Very much water down where they collided
If the planets have water it must have come first
They must have formed wet and quenched their own thirst.

To wrap up this poem, let’s get philosophical
An issue with Pluto that’s really quite topical:
How shall we choose what things to call “planet”?
Must they be massive, or made out of granite?

The IAU’s plan is based on three rules
To teach kids what “planet” means when they’re in school.
The first is the object must orbit a star
No, not a planet, a moon (or a car)
The second: the object must have a round shape
Not like a potato. But more like a grape.
It must be quite massive. It can’t be too small
To overcome friction and form a round ball
Third, the orbit must be all cleared out
No leftover objects left traipsing about

The first two requirements, easy to crack
With telescope measurements, we’re on the right track
The third one is where our study comes in
We showed that there simply can never have been
Leftover objects – we couldn’t have missed ‘em
The planets have cleared them all out of the system.

So Trappist-1’s not just a system of “things”
It’s official, they’re “planets” with all that it brings.

Looking ahead, our method is ready
We know of a few other systems already
With resonant orbits our technique could use
To figure which planets were battered and bruised.

This project united a really great team
Working with all of them — really a dream
They helped figure out all the parts of this system
Please look down below. That’s where I will list ‘em

Thank you for reading way down to the bottom
Science and rhymes – you want ‘em, we got ‘em.
For all of the details, please lend me your ear
Or, rather, your eyes. Our paper’s right here.