Towards understanding the nature and diversity of small planets in the universe : discovery and initial characterization of Wolf 503 b and LP 791-18 d

Avec la découverte de milliers de nouvelles planètes au cours des vingt dernières années, une nouvelle population complexe de planètes plus petites que Neptune et plus grandes que la Terre a été découverte. Ces planètes se divisent en deux groupes : les plus grandes sub-Neptunes avec des atmosphères étendues dominées par H, et les plus petites super-Terres qui ont tout au plus des atmosphères minces. Cette division peut être expliquée par une variété de mécanismes, y compris la photoévaporation, la perte de masse alimentée par le noyau, et la formation de gaz pauvres et vides : la population de petites planètes est probablement façonnée par une combinaison de ces mécanismes qui peut dépendre du type stellaire. Dans ce travail, nous décrivons la découverte de deux nouvelles planètes qui sont bien adaptées à l'étude de la nature de la population des petites planètes : Wolf 503 b et LP 791-18 d. Wolf 503 b est une planète de \(2.03^{+0.08}_{-0.07} R_{\oplus}\) orbitant autour de l'étoile brillante (\(J=8.32\) mag), proche (\(D=44.5\) pc) à mouvement propre élevé K3.5V Wolf 503 (EPIC 212779563). Nous confirmons que la signature du transit K2 est planétaire en utilisant à la fois des images d'archives et des images d'optique adaptative à haut contraste de l'observatoire Palomar. Son rayon place Wolf 503b directement entre les populations de super-Terre et de sub-Neptune, un rayon auquel les planètes sont rarement trouvées et la composition de masse attendue est ambiguë, et la luminosité de l'étoile hôte fait de Wolf 503b une cible de choix pour le suivi des vitesses radiales et la spectroscopie de transit. La deuxième planète que nous présentons est une planète de taille terrestre orbitant autour de la naine froide M6 LP 791-18. La nouvelle planète d rejoint un système bien aligné avec au moins deux autres planètes, la plus externe étant une sous-Neptune, offrant une occasion unique à ce jour d'étudier un système avec une planète de taille terrestre tempérée et une sous-Neptune qui a conservé son enveloppe gazeuse ou volatile. La découverte de LP 791-18d permet de mesurer la masse du système grâce aux variations du temps de transit, et nous trouvons une masse de \( {9.3_{-1.4}^{+1.5}\,M_\oplus}\) pour la sub-Neptune LP 791-18c et une masse de \( {0.8_{-0.4}^{+0.5}\,M_\oplus}\) pour l'exo-Terre LP 791-18d (\({<2.3 M_{\oplus}}\) à 3\( {\sigma}\)). La planète est également soumise à un fort réchauffement continu par les marées, ce qui peut entraîner une activité géologique et un dégazage volcanique. Pour l'avenir, LP 791-18d et Wolf 503b offrent des opportunités uniques d'étudier les origines et la conservation des atmosphères des petites planètes. With the discovery of thousands of new planets in the past twenty years, a new and complex population of planets has been discovered which are smaller than Neptune and larger than the Earth. These planets are split into two groups: the larger sub-Neptunes with extended H-dominated atmospheres, and the smaller super-Earths which have at most thin atmospheres. This division can be explained by a variety of mechanisms, including photoevaporation, core-powered mass-loss, and gas-poor and gas-empty formation: the small-planet population is likely shaped by a combination of these which may depend on stellar type. In this work we describe the discovery of two new planets which are well-suited to investigating the nature of the small planet population: Wolf 503b and LP 791-18d. Wolf 503 b is a \(2.03^{+0.08}_{-0.07} R_{\oplus}\) planet orbiting the bright (\(J=8.32\) mag), nearby (\(D=44.5\) pc) high proper motion K3.5V star Wolf 503 (EPIC 212779563). We confirm that the K2 transit signature is planetary using both archival images and high-contrast adaptive optics images from the Palomar observatory. Its radius places Wolf 503 b directly between the populations of super-Earths and sub-Neptunes, a radius at which planets are rarely found and the expected bulk composition is ambiguous, and the brightness of the host star makes Wolf 503b a prime target for radial velocity follow-up and transit spectroscopy. The second planet we introduce is an Earth-sized planet orbiting the cool M6 dwarf LP 791-18. The new planet d joins a well-aligned system with at least two more planets, the outermost being a sub-Neptune, providing a to-date unique opportunity to investigate a system with a temperate Earth-sized planet and a sub-Neptune that retained its gas or volatile envelope. The discovery of LP 791-18d makes the system amenable to mass measurements via transit timing variations, and we find a mass of \( {9.3_{-1.4}^{+1.5}\,M_\oplus}\) for the sub-Neptune LP 791-18c and a mass of \( {0.8_{-0.4}^{+0.5}\,M_\oplus}\) for the exo-Earth LP 791-18d (\( {<2.3 M_{\oplus}}\) at 3\( {\sigma}\)). The planet is also subject to strong continued tidal heating, which may result in geological activity and volcanic outgassing. Looking forward, LP 791-18d and Wolf 503b offer unique opportunities to study the origins and retention of small-planet atmospheres.

Keyphrases: méthodes: Observationnelles, planètes 5 et satellites: Atmosphères, planètes et satellites: individuels (Wolf 503b), planètes et satellites: individuels (LP 791-18d), planètes et satellites: Évolution Physique, planètes et satellites: Planètes Gazeuses, planets and satellites: individual (Wolf 503b), planets and satellites: Atmospheres, methods: Observational, planets and satellites: individual (LP 791-18d), planets and satellites: Physical Evolution, planets and satellites: Gaseous Planets