Une nouvelle exoplanète représente une occasion unique de "voir" l’atmosphère d’un autre monde

Une exoplanète à 26 années-lumière de là semble être l’une des plus intéressantes que nous ayons trouvées à ce jour pour observer l’atmosphère de mondes inconnus.

Animation d’entête, tirée de la vidéo plus bas : représentation artistique d’une rentrée dans l’atmosphère de Gliese 486 b. (RenderArea/ Institut Max Planck d’astronomie)

Baptisée Gliese 486 b, l’exoplanète est un monde rocheux qui, selon les astronomes, pourrait ressembler à Vénus : rocheux, chaud et peut-être doté d’une atmosphère (bien qu’elle soit beaucoup plus fine que celle de Vénus). Et elle répond à tous les critères que nous recherchons lorsque nous essayons de trouver des atmosphères exoplanétaires à sonder avec la prochaine génération de télescopes.

Non seulement elle est proche, mais elle passe entre nous et son étoile, une naine rouge relativement froide et calme, ce qui permettra de mettre son atmosphère en lumière. Elle se trouve également dans la zone de température idéale pour la spectroscopie, qui permet d’analyser la composition de son atmosphère.

Selon l’astrophysicien Juan Carlos Morales de l’Institut d’études spatiales de Catalogne :

Dès le premier instant, nous avons réalisé que cette planète est un bijou : elle tourne autour d’une étoile brillante proche et passe devant elle de notre point de vue ici sur Terre.

Nous avons fait de notre mieux pour déterminer avec précision ses propriétés et nous nous préparons à les caractériser davantage. Cette planète pourrait devenir un tremplin pour comprendre la structure et l’évolution des atmosphères des exoplanètes.

Depuis que la découverte de la première exoplanète, ou planète hors du système solaire, a été confirmée dans les années 1990, les astronomes ont continué à en identifier des milliers dans la Voie lactée.

Ce que nous avons découvert jusqu’à présent est une image incomplète, soumise à des limitations technologiques, mais malgré cela, nous avons pu apprendre beaucoup de choses sur les différentes planètes qui existent, leurs tailles et leurs masses, leurs densités, la façon dont elles orbitent autour de leurs étoiles…

Quant à l’atmosphère, c’est beaucoup plus délicat. En général, pour détecter des exoplanètes, on utilise deux méthodes basées sur l’effet que les exoplanètes ont sur leurs étoiles.

Il y a la spectroscopie Doppler : elle détecte le très faible mouvement d’oscillation d’une étoile en raison de l’interaction gravitationnelle avec  une exoplanète. Et la méthode du transit (photométrie), qui détecte les très faibles changements de luminosité des étoiles lorsqu’une exoplanète transite ou se déplace devant son étoile.

Ce graphique illustre l’orbite d’une exoplanète rocheuse en transit comme Gliese 486b autour de son étoile hôte. Pendant le transit, la planète obscurcit le disque stellaire. Simultanément, une infime partie de la lumière stellaire passe à travers la couche atmosphérique de la planète. Pendant que Gliese 486b continue à orbiter, des parties de l’hémisphère illuminé deviennent visibles comme des phases lunaires jusqu’à ce que la planète disparaisse derrière l’étoile. (Institut Max Planck d’astronomie)

Pour étudier l’atmosphère d’une exoplanète, les astronomes recherchent de minuscules changements dans le spectre des longueurs d’onde d’une étoile lorsqu’une exoplanète se déplace autour d’elle. Certaines seront absorbées ou émises par des éléments de l’atmosphère, se traduisant par des raies plus ou moins sombres sur le spectre, ces raies peuvent être utilisées pour déterminer la composition chimique de cette atmosphère.

Comme vous pouvez l’imaginer, c’est assez difficile à réaliser. Les exoplanètes sont très éloignées et les signaux utilisés sont très faibles.

Idéalement, pour pouvoir étudier une atmosphère, il faut disposer de quelques éléments essentiels. Plus c’est proche, mieux c’est ; c’en est un. Une étoile brillante dont la lumière doit renvoyer un spectre fort en est une autre. Et, bien sûr, il y a l’exoplanète en transit elle-même, idéalement sur une courte orbite afin que plusieurs transits puissent être observés en peu de temps et ensuite superposés pour amplifier le signal.

Les orbites des exoplanètes peuvent être très diversifiées, et si l’orbite est courte, l’exoplanète est très proche de l’étoile, ce qui peut la rendre beaucoup trop chaude pour des observations spectroscopiques.

Gliese 486 b, mesurée avec une grande précision par spectroscopie Doppler et photométrie de transit, remplit toutes ces conditions.

La proximité de Gliese 486 b a permis aux chercheurs de mesurer sa masse avec une précision sans précédent, grâce aux observations faites avec les instruments CARMENES et MAROON-X de l’observatoire Gemini.

Selon l’astronome Trifon Trifonov de l’Institut Max Planck d’astronomie :

On a également constaté que la planète traverse périodiquement le disque stellaire grâce au satellite TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) de la NASA, ce qui est un événement rare. Combiner la masse planétaire et la configuration orbitale clairement caractérisées à partir de données Doppler, ainsi que le rayon planétaire et la période orbitale précis des transits pour une exoplanète aussi proche, voilà ce qui en fait une découverte exceptionnelle.

Selon l’équipe de recherche, l’exoplanète fait environ 1,3 fois la taille de la Terre, et environ 2,8 fois sa densité. Cela laisse supposer que sa composition est terrestre, riche en métaux, comme la Terre ou Vénus. Elle est également très proche de son étoile, sur une orbite de seulement 1,5 jour.

Cependant, comme cette étoile est une naine rouge froide, la température moyenne de l’exoplanète “n’est que” de 400 °C. Cela peut nous sembler extrêmement inhospitalier, mais c’est tout à fait approprié pour les observations atmosphériques.

Représentation de la surface brulante de Gliese 486 b. (RenderArea/ Institut Max Planck d’astronomie)

Toujours selon Trifonov :

La proximité de la naine rouge Gliese 486 chauffe la planète de manière significative à environ 430 °C (700 Kelvin), rendant son paysage chaud et sec, entrecoupé de volcans et de rivières de lave incandescente. Dans ce contexte, Gliese 486 b ressemble plus à Vénus qu’à la Terre.

C’est ce qui la rend adaptée à la spectroscopie d’émission, lorsque l’exoplanète se trouve à côté de l’étoile, réfléchissant sa lumière, et aux études qui impliquent des modifications de la lumière des étoiles pour rechercher une atmosphère.

Si la température était plus froide de 100 °C, elle n’aurait pas été adaptée aux observations de suivi, alors que si elle était plus chaude de 100 °C, toute la surface de la planète serait constituée de lave, donc son atmosphère serait principalement composée de roches vaporisées, Ce qui ne nous apprendra rien sur cette atmosphère primaire.

Le diagramme fournit une estimation de la composition intérieure de certaines exoplanètes en fonction de leur masse et de leur rayon en unités terrestres. Le marqueur rouge représente Gliese 486b, et les symboles orange représentent les planètes autour d’étoiles froides comme Gliese 486. Les points gris montrent les planètes hébergées par des étoiles plus chaudes. Les courbes colorées indiquent les relations théoriques masse-rayon pour l’eau pure à 700 Kelvin (bleu), pour l’enstatite minérale (orange), pour la Terre (vert) et le fer pur (rouge). À titre de comparaison, le diagramme met également en évidence Vénus et la Terre. (Trifonov et col./ MPIA graphics department)

De toutes les méthodes qui permettent de déterminer l’atmosphère d’une exoplanète, Gliese 486 b est la plus appropriée. Et si aucune atmosphère n’est découverte, cela nous aidera à comprendre comment les exoplanètes rocheuses conservent leur atmosphère lorsqu’elles orbitent très près de leur étoile.

Le télescope spatial James Webb, dont la mission comprend l’étude des atmosphères exoplanétaires, sera lancé dans le courant de l’année. Avec un peu de chance, Gliese 486 b sera au menu.

Un voyage virtuel vers Gliese 486b. (RenderArea)

L’étude publiée dans Science : A nearby transiting rocky exoplanet that is suitable for atmospheric investigation et présentée sur le site de l’Institut d’astrophysique des Canaries :  A super-Earth is discovered which can be used to test planetary atmosphere models et sur le site de l’Institut Max Planck d’astronomie : A blazing nearby super-Earth.