Plusieurs découvertes récentes obtenues grâce à la mission CHEOPS ont permis de détecter et d’étudier de nouvelles exoplanètes aux particularités singulières, comme une planète en forme de ballon de rugby ou des mini-Neptunes dans notre galaxie. Mais ce n’est pas tout, les observations de CHEOPS ont également révélé la présence improbable d’un anneau dense autour d’une planète naine de notre Système solaire et un système de six exoplanètes en résonance orbitale.

Ces découvertes s’appuient sur la précision et la couverture 24h/24 et 7j/7 du satellite. Les observations de CHEOPS sont complétées par les informations dans des longueurs d’onde plus larges (UV, IR) par d’autres télescopes spatiaux comme Hubble et James Webb.

CHEOPS est la première d'un trio de missions dédiées aux exoplanètes. Il sera rejoint par Plato en 2026, qui se concentrera sur les planètes semblables à la Terre, orbitant à une distance potentiellement viable de leur étoile. Ariel complètera la flotte en 2029 et sera spécialisé dans l'étude des atmosphères des exoplanètes.

Une exoplanète en forme de ballon de rugby

CHEOPS a détecté une exoplanète non sphérique, orbitant autour de son étoile hôte en une journée, ayant la forme d’un ballon de rugby. C’est la première fois que la déformation d’une exoplanète est détectée, ouvrant ainsi la voie vers une meilleure connaissance de la structure interne de ces planètes très proches de leur étoile hôte.

La planète, connue sous le nom de WASP-103b, est située dans la constellation d'Hercule. Elle a été déformée par les puissantes forces de marée entre la planète et son étoile hôte WASP-103, qui est environ 200 degrés plus chaude et 1,7 fois plus grande que le Soleil.

Pour en savoir plus :

• Detection of the tidal deformation of WASP-103b at 3 σ with CHEOPS, S. C. C. Barros et al., Astronomy & Astrophysics, 2022.
• L’article sur le site de l’ESA, CHEOPS reveals a rugby ball-shaped exoplanet.

Des mini-Neptunes dans notre galaxie

La mission CHEOPS a confirmé l’existence de quatre exoplanètes en orbite autour de quatre étoiles dans notre Voie lactée. Ces exoplanètes, qui ont des tailles comprises entre celle de la Terre et celle de Neptune, gravitent autour de leurs étoiles, plus proches que Mercure autour du Soleil.

Ces mini-Neptunes ne ressemblent à aucune planète de notre Système solaire et constituent un « chaînon manquant » entre les planètes semblables à la Terre et celles semblables à Neptune. Les mini-Neptunes font partie des exoplanètes les plus courants connus, même si elles restent des objets mystérieux. Elles sont plus petites, plus froides et plus difficiles à détecter que les exoplanètes dites « Jupiter chaudes », qui ont été trouvées en abondance. Alors que les Jupiters chaudes tournent autour de leur étoile en quelques heures, voire quelques jours, et ont généralement des températures de surface supérieures à 1 000 °C, les mini-Neptunes mettent plus de temps à orbiter autour de leur étoile hôte et ont des températures de surface plus froides - environ 300 °C.

Grâce aux mesures de CHEOPS, le rayon des quatre exoplanètes a pu être défini, leur masse ayant été déterminée à l'aide d'observations provenant de télescopes au sol. Ces mesures combinées ont permis une première estimation de la masse de leur noyau ferro-rocheux, mais la composition de leur atmosphère reste en débat. Améliorer la connaissance de la composition de ces planètes et en particulier de leurs couches externes constitue un enjeu majeur pour la compréhension du mécanisme de leur formation. Grâce au télescope spatial James Webb de la NASA ou la future mission Ariel de l’ESA, une réponse définitive pourrait bien être apportée. 

Pour en savoir plus :

Ces différents résultats ont été publiés en juin 2023 :

• Refined parameters of the HD 22946 planetary system and the true orbital period of planet d, Z. Garai et al., Astronomy & Astrophysics, 2023.
• TOI-5678b: A 48-day transiting Neptune-mass planet characterized with CHEOPS and HARPS, S. Ulmer-Moll et al., Astronomy & Astrophysics, 2023.
• Two warm Neptunes transiting HIP 9618 revealed by TESS and CHEOPS, H. P. Osborn et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2023.
• TESS and CHEOPS discover two warm sub-Neptunes transiting the bright K-dwarf HD 15906, A. Tuson et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2023.
• L’article sur le site de l’ESA, CHEOPS explores mysterious warm mini-Neptunes.

Un anneau inattendu autour de la planète naine Quaoar

La mission CHEOPS a observé une planète naine dans notre Système solaire, connue sous le nom de Quaoar, entourée d’un anneau dense de matière.

Quaoar fait partie d'une collection de petits mondes lointains connus sous le nom d'objets trans-neptuniens (TNO). On en connaît environ 3 000. Comme leur nom l’indique, les TNO se trouvent aux confins du Système solaire, au-delà de l’orbite de la planète Neptune. Les plus grands sont Pluton et Eris. Quaoar a un rayon estimé de 555 km et possède une petite lune appelée Weywot, d'un rayon d'environ 80 km.

L'anneau de Quaoar a été découvert grâce à une série d'observations qui a eu lieu entre 2018 et 2021. À l'aide de télescopes au sol et du télescope spatial CHEOPS, les astronomes ont observé le passage de Quaoar devant une succession d'étoiles lointaines, bloquant brièvement leur lumière au passage. Un tel événement est connu sous le nom d’occultation. Observer la façon dont la lumière de l’étoile occultée chute fournit des informations sur la taille et la forme de l’objet occultant et peut révéler la présence d’une atmosphère. Dans le cas de Quaoar, des baisses de luminosité plus faibles avant et après l’occultation principale ont indiqué la présence de matière en orbite autour de ce corps.

L’anneau de Quaoar n’est pas le seul système d’anneaux connu autour d’une planète naine. Deux autres – autour de Chariklo et Haumea – ont été détectés grâce à des observations au sol. Cependant, ce qui rend le système d’anneau de Quaoar unique, c’est l'endroit où il se trouve par rapport à Quaoar lui-même. La présence d’un anneau à une distance d’environ sept fois et demie le rayon de Quaoar interroge les astronomes : pourquoi ce matériau n’a-t-il pas fusionné pour former une petite lune ?

En effet, tout objet céleste avec un champ gravitationnel suffisant aura une limite à l'intérieur de laquelle un objet céleste qui s'en approche sera réduit en morceaux. C'est ce qu'on appelle la « limite de Roche ». Ainsi, les systèmes d'anneaux denses ne devraient exister qu’à l'intérieur de la limite de Roche, comme pour Saturne, Chariklo et Haumea. Or, dans le cas de Quaoar, l’anneau est bien plus éloigné que la limite de Roche. De premiers résultats suggèrent que les températures glaciales de Quaoar pourraient jouer un rôle en empêchant les particules glacées de s’agglomérer, mais des investigations supplémentaires sont nécessaires pour percer ce mystère.

Pour en savoir plus :

• A dense ring of the trans-Neptunian object Quaoar outside its Roche limit, B. E. Morgado et al., Nature, 2023.
• L’article sur le site de l’ESA, ESA’s CHEOPS finds an unexpected ring around dwarf planet Quaoar.

La découverte d’une exoplanète LTT9779 b plus brillante que Vénus

Le télescope CHEOPS découvre une « Neptune ultra-chaude » qui reflète 80% de la lumière que lui transmet son étoile hôte ! A titre de comparaison, la planète Vénus reflète 75% de la lumière solaire et la Terre 30%.

Pour la première fois, les astronomes ont découvert une exoplanète plus brillante que Vénus : il s’agit de LTT9779 b. Cette exoplanète a à peu près la taille de Neptune, et un grand "miroir". Sa taille et sa température en font une « Neptune ultra-chaude » avec un rayon 4,7 fois plus grand que celui de la Terre. Une année sur LTT9779 b ne prend que 19 heures.

La raison de la grande réflectivité de la planète LTT9779 b est simple : elle est recouverte de nuages métalliques. Ceux-ci sont principalement constitués de silicates mélangés à des métaux comme le titane.

La plupart des planètes ont un albédo faible, soit parce qu'elles ont une atmosphère qui absorbe beaucoup de lumière, comme la Terre, soit parce que leur surface est sombre ou rugueuse. Les exceptions ont tendance à être des mondes de glace gelés ou des planètes comme Vénus qui ont une couche nuageuse réfléchissante.

Les scientifiques vont alors de surprise en surprise : la température du côté de la planète faisant face à son étoile est estimée à environ… 2000 °C ! Or, il s’avère que toute température supérieure à 100°C est trop élevée pour que des nuages d’eau puissent se former ou même des nuages de métal ou de verre.

Cette planète ne devrait tout simplement pas exister, du fait de sa taille, sa masse et sa proximité avec son étoile. C’est du jamais-vu !

Pour en savoir plus : 

The extremely high albedo of LTT 9779 b revealed by CHEOPS - An ultrahot Neptune with a highly metallic atmosphere | Astronomy & Astrophysics (A&A).

Un nouveau système planétaire autour de l’étoile HD110067

Une équipe de scientifiques, menée par Rafael Luque de l’Université de Chicago, a découvert un système planétaire d’au moins six planètes en orbite autour de l’étoile HD110067 située à environ 100 années-lumière de la Terre. L’étude des paramètres qui caractérisent l’orbite des planètes de ce système démontre qu’il n’a quasiment pas évolué depuis sa formation il y a environ un milliard d’années. En effet, les planètes sont en résonance orbitale, cela signifie que les temps qu’elles mettent pour effectuer une révolution autour de l’étoile sont liés mathématiquement. Plus précisément, leurs périodes de révolution (ou périodes orbitales) s’expriment sous la forme d'un rapport de deux nombres entiers. C’est un fait remarquable car seuls très peu de systèmes (environ 1%) restent ainsi en résonance.

Deux planètes autour de l’étoile HD110067 avaient déjà été détectées par le satellite TESS de la NASA en 2020 et 2022 mais leurs périodes orbitales n’étaient pas connues avec certitude. Grâce aux données fournies par CHEOPS, les scientifiques ont désormais pu confirmer l’existence d’une troisième planète et mettre en évidence la résonance entre ces trois corps. La première planète (la plus externe) effectue une révolution en environ 20,5 jours, ce qui représente quasiment 1,5 fois (3/2) la période orbitale de la seconde planète (dont la période est d’environ 13,7 jours). Cette dernière valeur correspond également à presque exactement 1,5 fois (3/2) la période orbitale de la troisième planète (9,1 jours).

La prédiction d’autres résonances orbitales et leur correspondance avec les données inexpliquées restantes ont permis aux scientifiques de découvrir trois autres planètes de ce système. Ces six exoplanètes ont toutes une taille plus petite que celle de Neptune et une atmosphère étendue. Elles représentent ainsi des candidates idéales pour approfondir notre connaissance des atmosphères des exoplanètes.

Pour en savoir plus :

• A resonant sextuplet of sub-Neptunes transiting the bright star HD 110067, R. Luque et al., Nature, 2023.
• L’article sur le site de l’ESA, ESA’s CHEOPS helps unlock rare six-planet system.