Cette planète brûlante a-t-elle perdu – et regagné – une atmosphère ?

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Le véritable paysage infernal d’une exoplanète remet en question les hypothèses des chercheurs sur les types de mondes qui abritent une atmosphère.
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Une impression d’artiste de l’exoplanète rocheuse GJ 1132 b, qui pourrait avoir retrouvé une atmosphère après s’être débarrassée de la sienne.ILLUSTRATION : R. HURT/NASA/ESA
À environ 40 années-lumière de notre système solaire se trouve une planète rocheuse si proche de son étoile hôte qu’il lui faut environ un jour et demi de la Terre pour effectuer une orbite complète. La surface atteint une température moyenne de plus de 530 kelvins (comparable à celle du gril de votre four), et les scientifiques pensent que le manteau a tout au plus quelques centaines de mètres d’épaisseur et est fissuré comme une coquille d’œuf.

Il est connu sous le nom de GJ 1132 b, mais il pourrait tout aussi bien être les fosses de l’enfer. Et malgré tout, une équipe de chercheurs spécialisés dans les exoplanètes pense qu’elle pourrait avoir une atmosphère – sa deuxième, pour être précis. Dans un article publié vendredi dernier dans The Astronomical Journal, une équipe d’astrophysiciens, de géophysiciens et de chimistes de l’atmosphère a annoncé la détection d’une atmosphère composée d’environ 99 % d’hydrogène moléculaire, avec des traces de méthane, d’acétylène et de cyanure d’hydrogène flottant au-dessus de sa surface trouée.

Le fait est que personne ne pense vraiment que cette planète devrait encore avoir une atmosphère, même ces chercheurs. « Elle aurait dû tout perdre », déclare Raissa Estrela, coauteur de l’article, qui étudie les atmosphères des exoplanètes au Jet Propulsion Laboratory de la NASA. En fait, une deuxième équipe de chercheurs sur les exoplanètes a soumis une analyse indépendante des mêmes données à peu près au même moment, ce qui jette un doute sur l’existence réelle de cette atmosphère.

GJ 1132 b a probablement commencé sa vie comme une planète sub-Neptune, une classe de planètes gazeuses que le télescope spatial Kepler a montré comme étant les plus communes dans notre galaxie. Leur taille varie de 1,5 à 3 fois celle de la Terre. On pensait que cette planète était enveloppée d’une épaisse atmosphère d’hydrogène et d’hélium tourbillonnant autour d’un noyau dense et rocheux. Mais en raison de la proximité de la planète avec son étoile hôte, les chercheurs pensent que cette enveloppe gazeuse a été brûlée par un intense rayonnement ultraviolet au cours des 100 premiers millions d’années de sa vie.

En théorie, il ne devrait rester sur cette planète qu’une surface rocheuse stérile et irradiée, mais de récentes observations du télescope spatial Hubble pourraient raconter une histoire différente. Au cours de 20 orbites et de 24 heures d’observation, une équipe d’astronomes a utilisé le spectrographe imageur du télescope pour capter les signatures de la lumière absorbée par l’atmosphère de la planète lors de son passage sur son étoile hôte.

Dans le cas de GJ 1132 b, le spectre obtenu indique la présence d’hydrogène moléculaire. Pour une planète qui reçoit environ 19 fois plus de rayonnement solaire que la Terre, ce résultat a laissé perplexe. Parce qu’il est très léger, l’hydrogène échappe très facilement à l’attraction gravitationnelle d’une planète. Lorsque les molécules d’hydrogène sont chauffées, elles se dilatent et s’élèvent dans l’atmosphère, pour finalement atteindre une vitesse suffisamment élevée pour échapper à l’emprise des petites planètes. La chaleur intense de son étoile naine M aurait dû faire de la planète une enveloppe stérile.

« Cela a vraiment soulevé la question : Quelle est l’origine de l’atmosphère que nous voyons ? demande Mark Swain, astrophysicien au JPL et auteur principal de l’article. « Cela nous a conduit à ce travail de détective et à une enquête sur la possibilité de régénérer l’atmosphère à partir du manteau ». En d’autres termes, ils ont soupçonné qu’après avoir perdu sa première atmosphère, la planète en a développé une seconde.

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Après avoir perdu sa première atmosphère, l’exoplanète super chaude GJ 1132 b, dont la taille et la densité sont similaires à celles de la Terre, pourrait avoir retrouvé une atmosphère d’hydrogène grâce à des gaz volcaniques.

illustration : lizbeth b. de la torre nasa

Swain et Estrela se sont tournés vers deux articles, publiés en 2018 et 2019, qui ont découvert qu’au début du cycle de vie d’une planète sub-Neptune, lorsqu’elle s’accroche encore à son atmosphère primordiale, la pression et la température près de la surface en fusion sont suffisamment élevées pour qu’une quantité importante d’hydrogène flottant dans l’atmosphère soit absorbée dans un océan de magma. Lorsque la planète se refroidit et que son atmosphère épaisse est brûlée, une grande partie de cet hydrogène supplémentaire pourrait être piégée sous la surface en cours de solidification. « La théorie décrivant ce phénomène est en fait très récente », déclare Swain. « Je n’étais pas au fait de cette théorie jusqu’à ce que nous commencions à l’interpréter ».

Mais si la surface s’était déjà refroidie, comment cette énorme réserve d’hydrogène pouvait-elle s’échapper ? L’article de 2018 des chercheurs de l’Université Grenoble Alpes en France a calculé la configuration orbitale de la planète. Ils ont constaté qu’elle présente en fait une excentricité prononcée, la mesure de l’écart de l’orbite d’une planète par rapport à un cercle parfait – en gros, à quel point son orbite elliptique est écrasée. L’excentricité de GJ 1132 b est comparable à celle de Mercure, qui reçoit deux fois plus de rayonnement solaire à son périhélie, ou le point le plus proche du soleil, que lorsqu’elle en est la plus éloignée. L’attraction gravitationnelle de l’étoile tirerait sur la planète, créant des frictions dans son intérieur en fusion et déformant sa forme. Et cela pourrait faire une planète géologiquement active, une planète dans laquelle les matériaux du dessous de la surface sont poussés vers le haut à travers elle.

Ce même processus se produit sur Io, la lune de Jupiter, où la surface est parsemée de plus de 400 volcans – l’endroit le plus actif géologiquement de notre système solaire. Si GJ 1132 b présente également une activité volcanique, cette volatilité pourrait être à l’origine de la nouvelle atmosphère de la planète. Paul Rimmer, chimiste atmosphérique à l’université de Cambridge et autre auteur de l’article, a formé un modèle chimique informatique pour reproduire les conditions observées dans l’atmosphère de la planète. « J’ai examiné ce à quoi la chimie pourrait ressembler près du sommet d’un volcan », explique Paul Rimmer. « Si vous avez une certaine quantité de carbone, d’hydrogène, d’oxygène et d’azote qui sortent, il y a certaines façons dont ils veulent s’agencer. »

Sur Terre, les volcans éjectent principalement du dioxyde de carbone, de l’eau et du soufre. Mais Rimmer a découvert que les volcans de GJ 1132 b éjectent probablement cet hydrogène enfoui, ainsi que du méthane et du cyanure d’hydrogène – deux gaz que l’on ne trouve généralement pas en égale abondance sur les planètes rocheuses et terrestres. « Il s’agit d’une chimie très, très inhabituelle par rapport à ce que l’on peut s’attendre à trouver sur Terre », explique-t-il.

Mais il existe au moins une petite poche dans le manteau terrestre où nous avons découvert des conditions similaires. En 2016, une société minière a trouvé un minéral excessivement rare appelé tistarite sous le mont Carmel, dans le nord d’Israël. Les géologues ont déterminé qu’il avait été éjecté d’un volcan au cours de la période du Crétacé, et qu’il s’était initialement formé dans un magma ne contenant pratiquement pas d’oxygène. « C’est très rare sur Terre, mais il y en aurait partout sur la planète sur GJ 1132 b », dit Rimmer. Ce volcanisme unique pourrait théoriquement produire du méthane et du cyanure d’hydrogène en quantités égales, dit-il, mais tout cela reste très conceptuel. Rimmer note qu’il reste encore du travail à faire pour étudier la géochimie de cette planète et d’autres comme elle afin de déterminer si cette chimie est plausible.

Sukrit Ranjan, spécialiste des sciences planétaires à l’université Northwestern, qui a déjà travaillé avec Rimmer pour modéliser la présence de phosphine dans l’atmosphère de Vénus – une affirmation récente très contestée – déclare que ces résultats sont incroyablement excitants. Nous avons de nombreux exemples dans notre propre système solaire de planètes dont l’atmosphère est riche en hydrogène, note-t-il, mais nous n’avions encore jamais observé une planète rocheuse dominée par l’hydrogène. « Ce n’est pas quelque chose qui a été prédit à l’avance », dit Ranjan. « Pour la plupart, les gens supposent que si vous avez une atmosphère dominée par H₂[hydrogène], elle devrait être perdue relativement tôt dans l’histoire de la planète et vous ne serez probablement pas en mesure de la régénérer et de la maintenir. »

Laura Kreidberg, qui dirige les recherches sur les atmosphères des exoplanètes à l’Institut Max Planck, aimerait voir une analyse indépendante des données avant de sauter aux conclusions. « Il y a beaucoup de petites décisions dans le traitement des données qui peuvent produire des bosses et des ondulations inattendues », explique Kreidberg. « J’aimerais que le spectre soit reproduit par une autre équipe utilisant des méthodes indépendantes pour voir si elle obtient la même chose. »

En fait, ce processus est déjà en cours. La semaine dernière, une autre équipe de recherche dirigée par Lorenzo Mugnai, astrophysicien à l’Université Sapienza de Rome, a publié un article distinct qui analyse indépendamment les mêmes données Hubble sur GJ 1132 b. Mais lorsque l’équipe de Mugnai a analysé les données, elle a constaté que le spectre de la planète était relativement plat – en d’autres termes, elle n’avait pas d’atmosphère détectable. « Il est très difficile d’être sûr de la cause des différences, car il s’agit d’une analyse très difficile », explique Mugnai. « Nous savons que le diable se cache dans les détails ».

Les deux équipes se réunissent régulièrement pour comprendre ce qui a conduit à un écart aussi spectaculaire dans leurs résultats, mais Mugnai et Swain pensent tous deux que le problème pourrait résider dans la façon dont ils prennent en compte la variation de la lumière solaire lorsque la planète se déplace devant son étoile, un paramètre connu sous le nom d’assombrissement du limbe. « La luminosité d’une étoile n’est pas uniforme du centre au bord », explique Swain. « Lorsque la planète est proche d’un bord ou d’un autre, elle semble bloquer moins de lumière, car la partie de l’étoile qu’elle recouvre est en moyenne plus sombre que le reste de l’étoile. »

Pour corriger cet effet, les chercheurs doivent traiter leurs données avec un modèle capable de prendre en compte l’assombrissement et l’éclaircissement de l’étoile. Les deux équipes ont utilisé le même modèle, mais avec des coefficients différents. Elles prévoient maintenant d’échanger leurs méthodes pour voir si elles peuvent reproduire les résultats de l’autre équipe.

Malgré tout, Darius Modirrousta-Galian, coauteur de l’article de Mugnai, pense qu’il est très improbable que GJ 1132 b ait pu conserver suffisamment d’hydrogène pour produire une seconde atmosphère en raison de sa proximité avec son étoile hôte. Les chercheurs d’exoplanètes ne sont toujours pas certains de l’influence du rayonnement stellaire dans la formation des atmosphères. « L’approche que nous adoptons est que l’irradiation stellaire est si forte, et qu’elle provoque des vents sur la planète à des vitesses supersoniques et des vitesses de particules extrêmes, que l’atmosphère se dissout essentiellement », explique-t-il.

Selon Modirrousta-Galian, la quantité d’hydrogène dans l’enveloppe primordiale qui serait nécessaire pour surmonter cette perte et créer une seconde atmosphère représenterait plusieurs fois la masse de la planète. « Nous n’avons aucun problème, dans le cadre de notre modèle, à ce que la planète ait pu naître avec une atmosphère d’hydrogène », dit-il. « La conclusion à laquelle nous sommes arrivés est que nous n’en avons tout simplement pas actuellement ».

Malgré tout, d’autres recherches – et idéalement de nouvelles observations par le télescope spatial James Webb, dont le lancement est prévu le 31 octobre – sont nécessaires pour vérifier, ou compliquer davantage, l’un ou l’autre des résultats des équipes. S’il s’avère que GJ 1132 b possède bien une atmosphère d’hydrogène, cela pourrait ouvrir de nouvelles voies d’exploration aux planétologues. D’une part, ces atmosphères seraient beaucoup plus faciles à analyser que celles des petites planètes dont l’enveloppe est plus dense et composée d’éléments plus lourds. Le faible poids moléculaire de l’hydrogène contribue à la création d’une atmosphère plus large et plus gonflée qui laisse passer la lumière. Et cela donne une signature spectrographique plus forte, plus facile à lire depuis la Terre.

Les deux équipes repoussent les limites de ce qui est possible avec le télescope spatial Hubble, qui a été lancé en l’an 2000, deux ans avant que les astronomes ne découvrent la première exoplanète connue. Avec une taille égale à 1,16 fois celle de la Terre, GJ 1132 b est la plus petite planète pour laquelle un spectre de transmission a été publié, note Swain. « Je pense que ce qui est passionnant ici, c’est de mieux comprendre quels sont les détails qui comptent vraiment pour l’étude des petites planètes », dit-il.

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