Cette image est une impression d'artiste de l'exoplanète GJ 1132 b. © Nasa, ESA, et R. Hurt (IPAC Caltech)
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Hubble a observé une exoplanète qui perd son atmosphère et la reconstitue

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Le télescope Hubble a permis de découvrir que l'atmosphère de l'exoplanète GJ 1132 b, une petite superterre, était anormalement riche en hydrogène pour son âge. Les planétologues en ont déduit qu'il s'agissait d'une atmosphère secondaire continuellement maintenue par de colossales éruptions volcaniques dégazant son manteau.

Dans un précédent article, Futura faisait état de la découverte d'une atmosphère autour de l'exoplanète GJ 1132 b. On pouvait la classer parmi les superterres de faible masse puisqu'elle en possède une, évaluée à environ 1,6 fois celle de la Terre et avec un rayon comparable puisqu'on l'estime à 1,4 fois celui de notre Planète bleue.

Gliese 1132 b se trouve en orbite autour d'une naine rouge cinq fois plus petite que notre Soleil et 200 fois moins brillante, située à 39 années-lumière du Système solaire. Sa dénomination s'explique par le fait que son étoile hôte porte le nom GJ 1132 dans le célèbre catalogue Gliese-Jahreiss, du nom des astronomes allemands Wilhelm Gliese et Hartmut Jahreiß, qui contient toutes les étoiles connues à ce jour dans une sphère de 25 parsecs de rayon. Pour mémoire, un parsec c'est environ 3,26 années-lumière.

Ce n'était bien sûr pas la première fois que l'on mettait en évidence la présence d'une atmosphère autour d'une exoplanète puisque l'on avait fait, depuis un moment déjà, la découverte des Jupiters chaudes. Mais ces dernières sont au moins huit fois plus massives que la Terre, de sorte qu'avec GJ 1132 b il s'agissait de la toute première détection d'une atmosphère autour d'une planète rocheuse dont la masse et le rayon sont vraiment comparables à ceux de la Terre. Mais du fait de la proximité de GJ 1132 b à son étoile, elle boucle une orbite tous les 1,6 jour à une distance de 2,24 millions de kilomètres, l'exoplanète reçoit 19 fois plus de rayonnement stellaire que la Terre du Soleil de sorte que la température du sommet de son atmosphère est estimée à 260 °C. Il s'agit donc forcément d'un monde infernal, ressemblant bien plus à une exovénus qu'à une exoterre.

Illustration de GJ 1132 b et de son atmosphère. Cette exoplanète gravite en seulement 1,6 jour à 2,2 millions de kilomètres de son étoile, une naine rouge. En comparaison, Mercure se situe à 58 millions de kilomètres du Soleil. © MPIA

Des réservoirs d'atmosphère et d'eau dans les manteaux planétaires ?

Toujours est-il que la présence de cette atmosphère intrigue parce qu'elle se trouve associée à une petite superterre en orbite autour d'une étoile dont la théorie de l'évolution stellaire nous indique qu'elle est née il y a au moins 5 milliards d'années. Or, on sait que les naines rouges sont particulièrement colériques et susceptibles, par leurs éruptions et leur rayonnement avec des flots de rayons X, d'ultraviolets et de particules, d'éroder l'atmosphère d'une exoplanète au point de la faire rapidement disparaître, ce qui pose problème pour l'exobiologie. En effet, la majorité des planètes potentiellement habitables dans la Voie lactée sont des naines rouges, de sorte que des exoplanètes perdant rapidement leur atmosphère pourraient ne plus être habitables, notamment en perdant d'importantes quantités d'eau. C'est le sort que le Soleil a fait subir à Mars car bien qu'il soit une naine jaune, jeune il pouvait également être colérique.

Les exobiologistes se posent donc des questions quant à la capacité en général des exoplanètes à devenir ou rester habitables. Futura avait demandé à ce sujet l'avis de l'astrophysicien Franck Selsis qui nous avait dit justement : « C'est bien ce que l'on voudrait savoir et le meilleur moyen d'en avoir le cœur net, c'est de faire des observations. Il est possible qu'en fonction des caractéristiques de l'atmosphère d'une planète, son épaisseur, son contenu en eau liquide et aussi en fonction des interactions entre la magnétosphère et l'ionosphère avec les vents stellaires, une exoplanète autour d'une naine rouge puisse rester habitable. Personnellement, je me pose des questions car en appliquant à la jeune Terre plusieurs des arguments qui font douter de l'habitabilité des exoplanètes autour des naines rouges, on aboutit à la conclusion qu'elle ne devrait pas être habitable. Donc, soit les modèles théoriques surestiment beaucoup les pertes atmosphériques, soit les échanges entre le manteau et l'atmosphère sont à prendre en compte. L'eau et le gaz présents dans le manteau et libérés progressivement en surface pourraient être protégés de la phase de forte activité stellaire initiale. »

Une présentation de la découverte de Hubble. 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, ESA, ESO/L. Calçada, M. Kornmesser

Ces déclarations de Franck Selsis prennent particulièrement du relief quand on prend connaissance des communiqués de l'ESA et de la Nasa concernant un article disponible en accès libre sur arXiv et faisant état des analyses d'observations concernant GJ 1132 b et qui ont été fournies par Hubble.

Une activité volcanique intense maintenue par des forces de marée

Les planétologues pensent que l'exoplanète est en fait une ancienne mini-Neptune qui aurait migré. Une fois suffisamment proche de son étoile, elle aurait perdu l'enveloppe riche en hydrogène et hélium, que l'on connaît avec les géantes glacées du Système solaire, et finalement les couches de glace entourant son cœur rocheux en faisant d'elle une petite superterre en rotation synchrone autour de son étoile hôte.

Or, les spectres de la lumière qui indiquent qu'elle possède une atmosphère montrent également qu'elle est, des milliards d'années plus tard, encore riche en hydrogène, qu'elle contient également du cyanure d'hydrogène, du méthane, de l'ammoniac et qu'elle est embrumée par des hydrocarbures.

Il doit donc exister, selon les chercheurs, un mécanisme qui reconstitue sans cesse l'atmosphère d'hydrogène de GJ 1132 b car elle doit continuer à s'échapper dans l'espace étant donné sa température élevée. Pour eux, ce mécanisme serait un important dégazage du manteau de l'exoplanète via un volcanisme copieux. Ce volcanisme issu d'un manteau riche en magma serait maintenu par les forces de marée de GJ 1132 qui chaufferaient la superterre de la même manière que des forces de marée sont aussi responsables de l'activité volcanique spectaculaire d’Io, la lune infernale de Jupiter.

C'est donc une découverte importante qui, comme dans le cas de 55 Cancri e et de son volcanisme (indiqué par les observations de Spitzer comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous), nous offre une fenêtre sur l'exo-géodynamique interne d'une exoplanète. Si les planétologues ont raison, le manteau de GJ 1132 b est bien un réservoir inattendu d'hydrogène, et peut-être d'eau, et c'est une leçon pour juger des possibilités que recèlent les exoplanètes pour l'exobiologie. GJ 1132 b aurait en effet généré et maintenu une seconde atmosphère après avoir perdu la première (précisons pour finir que l'on n'a pas de raison de penser que la Terre ait été une mini-Neptune à un moment de son existence) et ce malgré des conditions difficiles autour d'une naine rouge.

On en saura sans doute plus quand le télescope spatial James-Webb sera opérationnel car il verra l'exoplanète avec plus de détails.

Ce graphique montre le spectre de l'atmosphère d'une exoplanète rocheuse de la taille de la Terre, GJ 1132 b, qui se superpose à une impression d'artiste de la planète. La ligne orange représente le spectre du modèle de l'atmosphère. En comparaison, le spectre observé est représenté par des points bleus représentant des points de données moyennés, ainsi que leurs barres d'erreur. Cette analyse est cohérente avec le fait que GJ 1132 b possède principalement une atmosphère d'hydrogène avec un mélange de méthane et de cyanure d'hydrogène. La planète possède également des aérosols qui provoquent la diffusion de la lumière. © Nasa, ESA et P. Jeffries (STScI)
Pour en savoir plus

Spitzer aurait détecté des éruptions volcaniques sur une exoplanète

Article de Laurent Sacco publié le 18/05/2015

55 Cancri e a été considérée comme une planète océan pendant quelque temps, mais on pense maintenant qu'elle ressemble plus à une superterre volcanique. Les observations de Spitzer menées il y a quelques années suggèrent qu'elle est le siège d'éruptions gigantesques émettant d'importants panaches de matériaux, bloquant la lumière provenant de sa surface surchauffée à plus de 2.400 kelvins.

Une vue d’artiste du télescope spatial Spitzer. Lancé le 25 aout 2003, il a observé le ciel dans l’infrarouge jusqu’en mai 2009. À compter de cette date, ayant épuisé l’hélium liquide refroidissant ses capteurs, il continue à fonctionner en mode dit « chaud » jusqu’à la fin de la décennie 2010. © Nasa

55 Cancri (55 Cnc, Rho Cancri) est une étoile binaire située à environ 40 années-lumière du Soleil dans la constellation du Cancer. C'est a priori un système double banal constitué d'une étoile de type solaire, 55 Cancri A autour de laquelle orbite une naine rouge, 55 Cancri B. Mais la première a fait l'objet de l'attention des astronomes depuis 2004 lorsque l'on a découvert par la méthode des vitesses radiales l'existence d'une exoplanète associée. On en connaît actuellement cinq autour de cette étoile. Des transits planétaires ont ensuite été observés avec 55 Cancri A e (plus simplement désignée 55 Cancri e) ce qui a permis de commencer à déterminer sa masse en plus de sa taille.

Les premières mesures indiquaient un rayon légèrement plus important que deux fois celui de la Terre pour une masse de l'ordre de huit fois celle de notre Planète. On pouvait donc en déduire sa densité qui apparaissait si faible que l'on a commencé par suspecter que l'on était en présence d'une planète océan. Puis, les mesures s'affinant, on a envisagé la possibilité que l'on soit en présence d'un astre encore plus surprenant, une planète carbonée composée en partie de diamant.

Une équipe d'astronomes, parmi lesquels se trouve Didier Queloz, le codécouvreur, il y a 20 ans, de la première exoplanète, vient de publier sur arXiv un article dans lequel est proposée une hypothèse tout aussi originale en ce qui concerne 55 Cancri e.

Un extrait de la courbe de lumière de 55 Cancri montrant une occultation de 55 Cancri e en 2012. © Brice-Olivier Demory, Michael Gillon, Nikku Madhusudhan, Didier Queloz

Une exoplanète infernale avec une température de surface de 2.400 K

Pour cela, les chercheurs ont mobilisé le télescope Spitzer qui, bien qu'à court d'hélium depuis le 15 mai 2009, est encore capable d'effectuer de remarquables découvertes en observant dans l'infrarouge. Les transits et les occultations de 55 Cancri e ont donc été étudiés avec cet instrument entre 2011 et 2013 au cours de campagnes d'observations multiples dont la durée totale s'est élevée à 85 heures. Ce ne sont pas moins de 6 transits et 8 occultations qui ont été observés dans un intervalle de longueurs d'onde centré sur 4.5 μm, là où l'intensité de la lumière réfléchie 55 Cancri e est la plus importante.

Le rayon de l'exoplanète est passé de 2,17 rayons terrestres à 1,9 fois celui de la Terre. Sa densité est donc plus importante que ce que l'on pensait, ce qui élimine la nécessité de faire appel à une composition exotique en tenant compte des incertitudes des mesures. La période orbitale de 55 Cancri e reste toujours inférieure à un jour, elle est même estimée à 18 heures ce qui veut dire que cette exoplanète est si proche de son étoile que sa surface doit être portée à une température d'environ 2.400 kelvins, ce qui est largement suffisant pour faire fondre les roches.

Un autre extrait de la courbe de lumière de 55 Cancri montrant une occultation observée par Spitzer en 2013. © Brice-Olivier Demory, Michael Gillon, Nikku Madhusudhan, Didier Queloz

La surprise est cependant venue de l'étude des occultations, c'est-à-dire des mesures des variations de l'intensité de la lumière du système formé par 55 Cancri A et 55 Cancri e lorsque cette dernière passe derrière son étoile-hôte (lorsqu'elle passe devant il s'agit d'un transit). Lors d'une occultation, la lumière émise par ce système est plus faible, car celle qui est rayonnée par l'exoplanète se trouve bloquée par l'étoile. Il apparaît donc un creux dans la courbe de lumière mesurée par Spitzer qui est d'autant plus important que la quantité de lumière soustraite l'est. Cette quantité peut être reliée à la température moyenne de surface de 55 Cancri e. En 2012, elle était de 1.427 kelvins, mais en 2013, elle était de 2.699 kelvins ! Comment expliquer un accroissement aussi spectaculaire de plus de 1.000 K ?

Une fenêtre sur l’intérieur d’une exoplanète

L'hypothèse la plus probable est qu'en 2012, un important panache volcanique global avait été émis lequel bloquait la lumière émise par une surface volcaniquement encore bien plus active que celle de Io dans le Système solaire. Les astrophysiciens ont pu éliminer l'hypothèse que cela soit en relation avec une modification de l'activité de l'étoile 55 Cancri A qui, elle, a été surveillée presque en continu depuis le sol durant cette période.

Si l'équipe de chercheurs a raison, cette découverte est de bon augure pour les futures observations du successeur de Hubble, le télescope James Webb. En effet, la matière éjectée au cours des gigantesques éruptions qui se produisent peut-être sur 55 Cancri e à seulement 40 années-lumière du Soleil, doit provenir de l'intérieur de la planète. Il doit être possible d'analyser la composition de cette matière par spectroscopie avec les instruments performants qui équiperont le futur télescope spatial géant. On devrait alors commencer à déterminer la composition chimique précise de l'intérieur d'une exoplanète pour la première fois, ouvrant une ère nouvelle pour la planétologie comparée et les modèles de formation des systèmes planétaires.

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