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Exoplanète : de la vapeur d’eau dans l’atmosphère d’une Jupiter chaude

ActualitéClassé sous :Astronomie , exoplanètes , Keck

Une équipe de jeunes chercheurs a mis au point une nouvelle technique pour caractériser l'atmosphère des exoplanètes géantes qu'on ne peut pas observer (depuis la Terre) par transit devant leur étoile. Grâce à un spectrographe sensible au proche infrarouge installé sur un des télescopes de l'observatoire Keck, la signature de la vapeur d'eau a été décelée dans l'atmosphère d'une Jupiter chaude proche de nous.

Découverte en 1996 par les astronomes Paul Butler et Geoffrey Marcy autour de l'étoile Tau Boötis (HR 5185), Tau Boötis b est une Jupiter chaude six à sept fois plus massive que notre Jupiter, gravitant en seulement trois jours et sept heures autour de son étoile. La température à sa surface est estimée à 1.600 K. © Eso, L. Calçada

Depuis la découverte de la première planète extrasolaire de l'histoire voici une vingtaine d'années, 1.790 exoplanètes sont à présent confirmées. Déjà, l'automne dernier, quand le cap des 1.000 exoplanètes connues venait d'être franchi, des chercheurs ont annoncé dans leur étude statistique que notre galaxie, la Voie lactée, était probablement riche de plusieurs milliards de mondes habitables ! La plupart seraient à l'image de notre Terre, en orbite autour de leur étoile dans la zone où il ne fait ni trop chaud ni trop froid, ce qui laisse espérer que l'eau puisse y exister durablement à l'état liquide. À la lumière de cette estimation relativement optimiste (22 % des étoiles de la galaxie semblables au Soleil auraient une exoterre habitable), deux questions dominent la quête des astronomes : combien d'entre elles possèdent-elles de l'eau, et, parmi elles, combien sont-elles « habitées » (quelle que soit la forme de vie développée) ? À cela, il faut encore ajouter les myriades d'exolunes, autres mondes potentiellement habitables, car la présence d'eau liquide n'y est pas toujours exclue, à l'instar des cas énigmatiques d'Europe (autour de Jupiter) et Encelade (autour de Saturne) dans notre propre Système solaire.

Bien que le graal de la recherche soit la découverte d'une première exoplanète habitée, les astronomes travaillent dans un premier temps à déterminer si la précieuse molécule, ingrédient essentiel à la vie, est présente à leur surface ou dans leur atmosphère. Une tâche que l'on imagine volontiers difficile à mettre en œuvre, étant donné les grandes distances qui nous séparent des étoiles. Lesquelles, rappelons-le, noient dans leur lumière les corpuscules qui gravitent autour d'elles.

Sur les traces de l’eau des exoplanètes

Pourtant, en ce début de XXIe siècle, l'entreprise a déjà été menée avec succès avec la participation du télescope spatial Hubble. L'étude spectrale de planètes passant devant leur étoile a en effet révélé la signature de molécules d'eau. Une méthode prometteuse qui fonctionne exclusivement lors des transits planétaires. Cependant pour les cas fréquents où le plan de l'orbite des planètes observées n'est pas aligné avec nos instruments (du point de vue terrestre), de nouvelles techniques offrent la possibilité de caractériser directement l'atmosphère. Dans leur étude de Tau Boötis b publiée dans The Astrophysical Journal Letters le 24 février et aussi disponible sur arxiv, les chercheurs exposent leur recette.

Sur ce graphique, on a représenté les données qui illustrent la méthode utilisée pour détecter de la vapeur d’eau dans l’atmosphère de la Jupiter chaude Tau Boötis b. La ligne noire et les lignes en pointillé traduisent les décalages dans le bleu et le rouge respectivement des signaux de la planète (planetary water) et de l’étoile (stellar features). © Alexandra Lockwood, Caltech

Découverte en 1996, Tau Boötis b est l'une des toutes premières exoplanètes connues à figurer dans l'atlas des planètes extrasolaires. C'est aussi l'une des plus proches de nous, car située à seulement 51 années-lumière, autour d'une étoile visible à l'œil nu dans la constellation du Bouvier (Bootes). Elle a été détectée à l'époque grâce à la méthode des vitesses radiales, et ses caractéristiques physiques (géante gazeuse en orbite très proche de son étoile) lui ont valu d'être rangée dans la catégorie déroutante des Jupiter chaudes.

Méthode de recherche de l’eau bientôt étendue aux superterres

Alexandra Lockwood et son équipe d'étudiants épaulés par le professeur en cosmochimie Geoffrey Blake (Caltech) ont pu caractériser les molécules piégées dans l'atmosphère de l'exoplanète. Ils ont examiné sa pâle lueur avec le spectrographe sensible au rayonnement infrarouge proche Nirspec (Near-Infrared Echelle Spectrograph) dont est doté l'un des deux télescopes géants (dix mètres de diamètre) de l'observatoire Keck à Hawaï. Après avoir mis en évidence la signature du monoxyde de carbone dans un milieu riche et varié dominé par l'hydrogène, les recherches de vapeur d'eau ont été concluantes.

« Les informations collectées par le Nirspec reviennent à écouter jouer un orchestre : vous entendez tous les instruments à la fois, mais si vous écoutez attentivement, vous pouvez isoler une trompette, un violon ou un violoncelle », illustre Alexandra Lockwood. De la même façon, « avec le télescope, vous voyez toute la lumière à la fois et le spectrographe permet de choisir différents morceaux : telle longueur d'onde indique qu'il y a du sodium et telle autre qu'il y a de l'eau ». Même si la technique restreint pour l'instant les recherches aux planètes géantes proches de leur soleil, les scientifiques envisagent de s'attaquer bientôt « aux superterres, voire à toutes celles qui évoluent dans la zone habitable, déclare Geoffrey Blake. Les futurs télescopes comme le James Webb Space Telescope (JWST) et le Thirty Meter Telescope (TMT) vont nous permettre d'examiner des planètes plus froides et plus éloignées de leur étoile-hôte, où l'eau liquide est susceptible d'exister. » L'arrivée de ces titans associés aux instruments d'une sensibilité toujours plus aiguë promet de formidables découvertes dans ce champ de recherche en pleine explosion.

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