Vue d'artiste de l'exoplanète LHS 3844 b autour d'une étoile naine M. D'après les observations du télescope spatial Spitzer de la Nasa, la surface de la planète pourrait être principalement recouverte de laves sombres, sans atmosphère apparente. © Nasa / JPL-Caltech / R. Hurt (Ipac)

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Exoplanète : Spitzer révèle la surface d'une superterre dépourvue d'atmosphère

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La majorité des exoplanètes potentiellement habitables sont autour des naines rouges. Spitzer a permis l'étude plus précise de celle autour de l'étoile LHS 3844, une superterre. Elle se comporte comme si elle n'avait pas d'atmosphère et était recouverte de basaltes semblables à ceux des mers lunaires.

Il n'y a plus de doute que, depuis les années 2000, les exoplanètes potentiellement habitables sont légion dans la Voie lactée. On les trouve autour des naines rouges qui sont elles-mêmes les étoiles les plus abondantes dans notre Galaxie et qui sont de plus majoritairement dans des systèmes binaires. Si la vie est un phénomène universel, alors les doubles couchers de Soleil comme ceux que contemple Luke Skywalker dans Star Wars ne seraient pas l'exception, mais plutôt la règle.

Sauf que potentiellement habitable ne veut pas automatiquement dire habitée et l'on ne peut donc pas en tirer à ce stade des contraintes fortes sur l'existence de civilisations extraterrestres via la fameuse équation de Drake du programme Seti. L'une des clés pour déterminer l'habitabilité d'une exoplanète est la connaissance de son atmosphère, sa composition et son épaisseur. Celle de Vénus fait toute la différence avec la Terre, on le sait bien.

Un autre facteur à prendre en compte est celui des naines rouges elles-mêmes. Bien que moins lumineuses que le Soleil, elles sont sujettes à de terribles colères quand elles sont jeunes ; elles émettent alors des flots de rayons X et ultraviolets délétères aux formes de vie que nous connaissons et en mesure de photodissocier les molécules d'eau des océans pouvant exister sur des exoterres ou des superterre, et bien évidemment des planètes océans. Ces rayonnements se combinent à des vents stellaires très énergétiques capables d'éroder des atmosphères, ce qui, là aussi, peut conduire à l'évaporation des océans.

Toutefois, il est difficile de formuler des conclusions fermes. Les exoplanètes, spécifiquement les superterres, pourraient avoir une atmosphère particulièrement épaisse (de CO2 notamment) en mesure de résister à la turbulence juvénile des naines rouges. On a des raisons de penser que le jeune Soleil lui-même aurait dû provoquer la disparition de l'atmosphère primitive de la Terre et une perte importante de son eau, et pourtant...

Bref, le mieux à faire est de tenter de détecter autant que faire ce peut des atmosphères pour des exoterres et des superterres autour des naines rouges qui constituent environ 70 % des étoiles de la Voie lactée. Certaines de ces étoiles sont proches et l'on a déjà détecté des exoplanètes rocheuses autour d'elles comme ce fut le cas avec Proxima Centauri et Trappist-1.

Une vue d'artiste de LHS 3844 b. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Spitzer

Des atmosphères qui tendent à égaliser les températures

Néanmoins, comme le prouve un récent article publié dans le journal Nature, en accès libre sur arXiv, c'est vers l'étoile LHS 3844 que les astrophysiciens intéressés par l'exobiologie se sont tournés et ce, avec le regard infrarouge du télescope spatial Spitzer.

La raison en est qu'autour de cette naine rouge de type M située à environ 48,6  années-lumière du Système solaire, existe une exoplanète rocheuse dont le rayon est d'environ 1,3 celui de la Terre et qui a été découverte en 2018 par le Transiting Exoplanet Satellite Survey (Tess), le successeur de Kepler.

LHS 3844 b, c'est son nom, a donc été découverte par la méthode des transits qui, en plus de son rayon, a fourni sa période orbitale, à savoir 11 heures seulement. À cette proche distance de son étoile hôte, les températures sont forcément élevées, mais qu'en était-il vraiment si elle possédait une atmosphère -- bien que la planète soit vraisemblablement en rotation synchrone à une telle distance du fait des forces de marée.

C'est là qu'est intervenu le satellite Spitzer avec la pénétration de son regard infrarouge.

Même en rotation synchrone, LHS 3844 b ne nous présente pas toujours une même face par rapport à nous qui l'observons. Elle est suffisamment loin de son soleil, lui-même peu brillant, pour que son rayonnement infrarouge soit discernable. Spitzer peut donc non seulement estimer des températures sur la surface de l'exoplanète mais aussi avoir des indications sur son albédo et donc la composition de sa surface, qu'elle soit rocheuse ou gazeuse. De fait, Spitzer a déjà été utilisé pour étudier les atmosphères de géantes gazeuses.

Les modélisations numériques pour l'atmosphère d'une planète, en rotation synchrone ou non, font intervenir via cette atmosphère des transferts de chaleurs (des vents) entre les hémisphères diurne et nocturne. Si une atmosphère est présente, on doit s'attendre à un contraste moins élevé en température entre ces deux hémisphères que celui attendu théoriquement avec une exoplanète rocheuse sans atmosphère.

Une présentation de Spitzer. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Jet Propulsion Laboratory

Des naines rouges fatales pour les atmosphères ?

Les données concernant LHS 3844 b sont incontestablement celles attendues dans ce dernier cas. Ou plus précisément, elles excluent une atmosphère dont la pression est supérieure à 10 bars et ne sont pas compatibles avec celle comprise entre 1 et 10 bars sauf à faire des contorsions peu probables dans les hypothèses concernant cette atmosphère. De toute façon, étant donné le rayonnement reçu qui est 70 fois plus important que celui du Soleil pour la Terre, une atmosphère mince ne résisterait pas à l'érosion provoquée par la naine rouge et elle disparaîtrait assez rapidement.

La présence d'une atmosphère est donc finalement très peu crédible et, en ce qui concerne l'analyse de l'albédo dans l'infrarouge de LHS 3844 b, elle a fourni des indications en faveur de la présence de larges étendues de basalte, similaires à celles que l'on connait avec les mers lunaires. Les températures dépassent les 700 °C sur la face diurne et sont en dessous de - 272 °C sur la face nocturne, un enfer donc.

Quelles leçons en tirer pour l'exobiologie ? Difficile à dire. Si des extraterrestres détectaient Mercure dans le Système solaire, ils auraient tort d'en déduire que le Soleil a provoqué la disparition des atmosphères des planètes rocheuses en orbite autour de lui. Mais comme LHS 3844 b est dans la zone d'habitabilité et que certains calculs soutiennent l'idée que les naines rouges n'autorisent effectivement pas longtemps l'existence d'atmosphère pour des exoplanètes dans cette zone d'habitabilité, certains peuvent avancer qu'ils ont des raisons supplémentaires de penser que l'apparition de la vie est difficile, voire impossible, autour des naines rouges. Le débat va certainement continuer encore longtemps...

  • À l'horizon de quelques décennies, l'analyse de la composition des atmosphères des exoplanètes potentiellement habitables ne sera possible que pour celles qui ne sont pas très loin du Soleil.
  • On cherche donc à détecter les plus proches pour en tirer des informations, au moins sur la fréquence de l'existence de ces atmosphères.
  • Un exemple de cette recherche est le cas de LHS 3844 b, une superterre observée dans l'infrarouge avec Spitzer.
  • Elle ne semble pas avoir d'atmosphère, ce qui n'est pas forcément une bonne nouvelle pour l'exobiologie.
Pour en savoir plus

Une nouvelle superterre découverte à seulement 8 années-lumière

Article de Laurent Sacco publié le 25/02/2019

Une nouvelle superterre est tombée dans les filets de chasse des exoplanètes. Gliese 411b n'est qu'à seulement 8 années-lumière du Soleil, ce qui est de bon augure pour l'analyse de l'atmosphère qu'elle possède peut-être.

L'observatoire de Haute-Provence (OHP) qui, comme son nom le laisse deviner est situé dans les Alpes-de-Haute-Provence, a été pendant plusieurs décennies le plus important observatoire en Europe avant que l'ESO ne dispose finalement de ses désormais célèbres télescopes au Chili. Situé à Saint-Michel-l'Observatoire, près de Forcalquier et Manosque, sa prééminence était en grande partie due au télescope de 1,93 m de diamètre qui y a vu sa première lumière en 1958, mais aussi du fait que les observations y sont possibles pendant un très grand nombre de nuits tout au long de l'année, le mistral nettoyant le ciel nocturne très rapidement.

Le télescope de 1,93 m est toujours là. Il est devenu particulièrement célèbre, en 1995, lorsque Michel Mayor et Didier Queloz ont fait avec lui, et grâce au spectrographe Élodie, la découverte de la première exoplanète en orbite autour d'une étoile sur la fameuse séquence principale : 51 Pegasi b (on connaissait déjà une exoplanète en orbite autour du pulsar PSR B1257+12). C'est l'utilisation de la méthode des vitesses radiales qui a permis ce succès qui, sans nul doute, a fait entrer l'OHP dans l'histoire de l'Humanité.

Film de présentation de l'observatoire de Haute-Provence. © Centre de Biabaux

Aujourd'hui, le grand télescope de 1,93 m apporte toujours ses contributions à la chasse aux exoplanètes et ce d'autant plus qu'il a été doté d'un spectrographe encore plus puissant en 2006 : Sophie. Nous en avons une nouvelle preuve avec l'annonce de la découverte par une équipe internationale d'astronomes de la troisième exoplanète la plus proche de notre Système solaire. C'est une superterre située à environ 8 années-lumière du Système solaire et elle est en orbite autour d'une naine rouge dans la constellation de la Grande Ourse, portant le numéro 411 dans le fameux catalogue Gliese-Jahreiss. Ce catalogue, du nom des astronomes Wilhelm Gliese et Hartmut Jahreiss, tente de lister toutes les étoiles situées à moins de 25 parsecs du Soleil, c'est-à-dire à moins de 80 années-lumière environ.

Gl 411b : une cible pour la prochaine génération de télescopes

Parmi les astronomes responsables de la découverte de l'exoplanète Gl 411b se trouve Xavier Delfosse, chercheur à l'Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble (Ipag, Université Grenoble-Alpes/CNRS), qui avait accordé une interview à Futura au sujet des découvertes de superterre dans la Voie lactée. Il rappelle dans le communiqué du CNRS, accompagnant la publication d'un article dans Astronomy & Astrophysics disponible en accès libre sur arXiv, au sujet de Gl 411b que : « Des observations directes permettant de caractériser les planètes extraterrestres de type terrestre ne seront possibles dans les années à venir que si la cible est une des exoplanètes les plus proches de nous. Il est donc crucial aujourd'hui de découvrir nos plus proches voisins. » C'est d'autant plus nécessaire si l'on veut pouvoir faire l'analyse relativement poussée de la composition de l'atmosphère d'exoplanètes potentiellement habitables à la recherche de biosignatures. La tâche n'est en rien évidente comme l'avait expliqué, à Futura, l'astronome Franck Selsis au moment de la découverte des exoplanètes autour de Trappist-1.

Mais faisons un peu plus connaissance avec Gl 411b. Sa masse est estimée à environ trois fois celle de la Terre et elle boucle son orbite en environ 13 jours à seulement 0,08 UA, ce qui dans le Système solaire la placerait à une distance cinq fois plus proche de son étoile que Mercure ne l'est de notre Soleil. Mais comme Gl 411 est une naine rouge dont la température de surface est plus froide (3.300 °C, contre 5.500 °C pour le Soleil), Gl 411b ne reçoit que 3,5 fois plus d'énergie que la Terre n'en reçoit du Soleil. Cela reste considérable de sorte qu'elle n'est pas dans la zone d'habitabilité et si elle possède une atmosphère, ce qui reste à démontrer, Gl 411b doit plutôt ressembler au monde infernal qu'est Vénus.

Nul doute qu'elle fera l'objet d'observations avec le télescope spatial James-Webb dans l'espace et plus tard avec l'E-ELT (European Extremely Large Telescope) au sol au cours des années 2020. Elles nous aideront à comprendre comment l'univers observable peut passer du Big Bang au vivant...

Au cours de cette conférence, Xavier Delfosse aborde la recherche de l’existence d’une vie ailleurs que sur Terre. Pour cela, il faut d’abord trouver des exoplanètes potentiellement habitables. Il travaille à leur détection avec d’autres collègues. © fermedesetoiles

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