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La superTerre Gliese 1214 b a une atmosphère riche en eau

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On connaît la masse et la taille de l'exoplanète Gliese 1214 b et donc sa densité. C'est bien une superTerre mais on ignore sa vraie nature. Planète rocheuse dégazée avec une atmosphère riche en hydrogène ? mini-Neptune ayant migré ? planète océan ? Le télescope Subaru vient d'apporter une nouvelle preuve étayant l'hypothèse que son atmosphère est riche en eau.

Vue d'artiste de l'étoile Gliese 1214 observée à l'aide d'un filtre pour la lumière bleue. Sur la droite, le cercle noir révèle la présence d'une superTerre effectuant un transit planétaire. C'est Gliese 1214 b. Les dernières mesures de la composition de l'atmosphère de cette exoplanète avec les instruments du téléscope Subaru sont de nouveau favorables à l'hypothèse qu'elle est riche en vapeur d'eau et pas en hydrogène. © NAOJ

La composition chimique de l'atmosphère de la superTerre Gliese 1214 b a pu être à nouveau sondée à l'aide du télescope japonais Subaru. Son patronyme lui vient de son étoile, qui porte le numéro 1.214 dans le catalogue Gliese-Jahreiss (du nom des astronomes Wilhelm Gliese et Hartmut Jahreiss) qui tente de lister toutes les étoiles situées à moins de 25 parsecs de la Terre.

Depuis 2009, on sait qu'une superTerre est en orbite autour de cette étoile. Baptisée GJ 1214 b, elle présente un rayon d'environ 2,6 fois celui de la Terre et elle est à peu près 6,5 fois plus massive. Sa découverte est due à l'instrument Harps (High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher), un spectromètre équipant le télescope de 3,6 mètres de l'ESO au Chili, à l'origine d'autres trouvailles, comme celles réalisées autour de Gliese 581.

Cette fois, les astrophysiciens ont étudié Gliese 1214 b en utilisant la méthode du transit planétaire alors que Harps exploite celle des vitesses radiales. Pour cela, ils se sont servis de deux instruments observant dans le visible et équipé d'un filtre bleu, la Suprime-Cam et le Faint Object Camera and Spectrograph (Focas) équipant le télescope Subaru.

Sur ces schémas, on voit le principe de l'effet de la diffusion Rayleigh sur la lumière d'une étoile traversant l'atmosphère d'une exoplanète. En haut, elle est supposée riche en hydrogène qui diffuse donc fortement la couleur bleue, laissant donc passer une lumière tirant vers le rouge (par manque de bleu). Au milieu, la diffusion ne se produit pas car l'atmosphère est constituée essentiellement de vapeur d'eau. En bas, il n'y a pas de diffusion Rayleigh malgré la présence d'hydrogène parce qu'il existe une importante couverture nuageuse. © NAOG

La diffusion Rayleigh, une clé des atmosphères des exoplanètes

Afin de poser des contraintes sur la composition chimique de la superTerre, ils sont partis à la chasse de traces de diffusion Rayleigh forte dans la lumière traversant l'atmosphère de Gliese 1214 b lorsqu'elle transite devant son étoile hôte.

Rappelons que la diffusion de Rayleigh est due aux molécules gazeuses présentes dans l'atmosphère (O2, N2, CO2, vapeur d'eau, etc.) ou aux fines particules de poussière. Elle se produit lorsque la taille des molécules diffusantes est très inférieure à la longueur d'onde du rayonnement.

Comme l'intensité de la lumière diffusée est inversement proportionnelle à la puissance 4 de la longueur d'onde du rayonnement incident, elle se produit surtout pour les longueurs d'onde les plus courtes du spectre. Cela explique en partie la couleur bleue du ciel pendant la journée. La diffusion de Rayleigh tire son nom du prix Nobel de physique John William Strutt, troisième baron Rayleigh, plus connu sous son titre Lord Rayleigh, qui a beaucoup travaillé sur les phénomènes ondulatoires.

Probablement pas d'hydrogène dans l'atmosphère de Gliese 1214 b

Si l'atmosphère d'une exoplanète est principalement composée d'hydrogène, on doit observer, lors du transit devant l'étoile, une forte baisse caractéristique de l'intensité de la lumière dans une bande de longueur d'onde associée à la couleur bleue. Ce serait la preuve de l'existence d'une forte diffusion Rayleigh associée à l'hydrogène. En revanche, si l'atmosphère est riche en eau ou s'il existe une couverture nuageuse importante, on ne doit pas observer de diffusion Rayleigh forte.

Or, comme l'explique l'article que les astrophysiciens ont déposé sur arxiv, aucune trace significative de diffusion Rayleigh n'a été détectée par les instruments de Subaru. Les chercheurs ne peuvent pas complètement exclure que la superTerre possède tout de même une atmosphère riche en hydrogène mais avec une importante couverture nuageuse. Toutefois, en combinant cette étude avec d'autres réalisées précédemment, il devient de plus en plus probable que Gliese 1214 b ait bien une atmosphère riche en eau.

On sait cependant que si tel est bien le cas, la température de l'atmosphère de Gliese 1214 b dépassant les 100 °C, il ne peut s'agir d'un monde ressemblant à la Terre. Il faudra peut-être attendre la mise en service de Tess pour en découvrir un...

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