Les astronomes soupçonnent depuis longtemps qu'il existe un lien entre la masse d'une planète et sa vitesse de rotation. Dans notre propre Système solaire, Jupiter et Saturne en sont des exemples frappants. Malgré leur taille énorme, toutes deux effectuent une rotation complète en environ 10 heures et représentent une grande partie de l'énergie rotationnelle totale du Système solaire.

Pour vérifier si cette relation s'étend au-delà de notre voisinage cosmique, des chercheurs ont utilisé l'Observatoire W. M. Keck sur le Maunakea, à Hawaï, pour étudier un large échantillon de mondes géants lointains. Leur étude comprenait 32 géantes gazeuses et compagnons naines brunes dans d'autres systèmes stellaires, dont 6 planètes plus grandes que Jupiter et 25 compagnons naines brunes.

Les observations ont révélé une tendance intrigante. Lorsque des facteurs tels que la masse, la taille et l'âge sont pris en compte, les géantes gazeuses ont tendance à tourner plus vite que les naines brunes plus massives. Pour renforcer leur analyse, les chercheurs ont également incorporé des mesures de rotation antérieures provenant d'autres études, créant ainsi un ensemble de données soigneusement sélectionné comprenant 43 compagnons stellaires/sous-stellaires et planètes géantes, ainsi que 54 naines brunes et objets de masse planétaire flottant librement.

L'équipe internationale était dirigée par des scientifiques du Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) de l'Université Northwestern. Les collaborateurs comprenaient des chercheurs du Center for Astrophysics and Space Sciences (CASS) de l'UC San Diego, de la Division of Geological & Planetary Sciences (GPS) de Caltech, de l'Observatoire W. M. Keck, du Steward Observatory, du James C. Wyant College of Optical Sciences, du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, et de plusieurs autres institutions. Leurs résultats ont été publiés dans The Astronomical Journal.

Bon nombre des planètes examinées orbitent autour de leurs étoiles à des distances allant de dizaines à centaines d'unités astronomiques (UA), la distance entre la Terre et le Soleil. Les scientifiques tentent encore de déterminer comment ces mondes lointains se forment. Certains peuvent émerger progressivement au sein de disques de gaz et de poussière entourant de jeunes étoiles, tandis que d'autres pourraient se former par un processus plus similaire à l'effondrement qui crée les étoiles elles-mêmes.

Pour enquêter, les chercheurs ont utilisé le Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC), un instrument spécialisé capable d'isoler la lumière provenant directement de ces mondes lointains. Lorsqu'une planète tourne, des caractéristiques de son atmosphère provoquent un élargissement subtil de son spectre. En mesurant ces changements, les astronomes peuvent déterminer la vitesse à laquelle l'objet tourne.

L'auteur principal Dino Chih-Chun Hsu, chercheur au CIERA, a expliqué l'importance de ces mesures dans un communiqué de presse de l'Observatoire W. M. Keck : « La rotation est un registre fossile de la façon dont une planète s'est formée. En mesurant la vitesse à laquelle ces mondes tournent, nous pouvons commencer à reconstituer les processus physiques qui les ont façonnés il y a des dizaines à des centaines de millions d'années. Avec KPIC, nous pouvons détecter ces minuscules signaux qui révèlent la rotation d'une planète autour d'autres étoiles proches. Nos résultats suggèrent que la masse de la planète et le rapport entre la masse de la planète et celle de son étoile influencent la vitesse finale de rotation de la planète. Cela nous aide à préciser la physique de la formation de ces systèmes. »

Une planète géante dépasse un voisin beaucoup plus grand

L'un des exemples les plus clairs provient du système HR 8799. Là, une géante gazeuse d'environ 7 fois la masse de Jupiter tourne six fois plus vite qu'une compagne naine brune d'environ 24 fois la masse de Jupiter.

Les chercheurs pensent que la différence pourrait être liée à des interactions magnétiques au début de l'histoire des objets. Un champ magnétique plus fort peut interagir plus intensément avec le disque circumplanétaire environnant, ralentissant la rotation au fil du temps. Dans ce cas, la naine brune plus massive a probablement perdu davantage de sa rotation initiale en raison de son champ magnétique plus fort.

Les découvertes aident les scientifiques à mieux comprendre non seulement les systèmes planétaires lointains, mais aussi les origines de notre propre Système solaire. Hsu a déclaré : « La façon dont le moment angulaire est distribué entre les planètes influence l'architecture globale d'un système planétaire. »