Une atmosphère détectée sur une super-Terre rocheuse

Les super-Terres, planètes rocheuses un peu plus grandes et un peu plus massives que la Terre, représentent plus d’un tiers des 5 000 exoplanètes découvertes à ce jour. Comme elles sont absentes du Système solaire, il faut tout savoir sur ce type d’exoplanètes, et notamment sur la constitution de leur atmosphère. Justement, Brice-Olivier Demory, astrophysicien à l’Université de Berne, en Suisse, et ses collaborateurs auraient réussi la première observation d’une atmosphère autour d’une super-Terre, 55 Cancri e, grâce au télescope. JWST.

Super-Terre 55 Cancri e appartient à un système de cinq planètes en orbite autour d’une étoile de type solaire située à seulement 40 années-lumière de nous. Si la nomenclature habituelle des exoplanètes impose d’annoter « a » l’étoile centrale, « b » la première planète par ordre de proximité avec l’étoile, et ainsi de suite, 55 Cancri e n’est pas la quatrième planète du cortège… mais la première. . La faute à une détection tardive. En effet, la première détection de 55 Cancri e en 2004 n’a pas permis d’établir correctement sa masse et sa période. Mais en 2010, une nouvelle analyse des données de vitesse radiale a conduit à une correction de ses paramètres. Suite à cette annonce, Brice-Olivier Demory, alors au MIT aux Etats-Unis, a réalisé de nouvelles observations avec le télescope spatial Spitzer, ce qui a permis d’affiner davantage la valeur de masse. En fin de compte, 55 Cancri e a un rayon 1,8 fois celui de la Terre, une masse d’environ 8 fois la masse de la Terre et orbite autour de son étoile en seulement 18 heures.

55 Cancri a la particularité d’être en rotation synchrone avec son étoile. Autrement dit, elle présente toujours le même visage, comme la Lune avec la Terre. En 2012, grâce aux observations de Loulour, les scientifiques ont estimé la température de la face éclairée de 55 Cancri e à environ 1 800°C. En réalisant de nouvelles mesures en 2016, les chercheurs ont établi la première carte de température de l’exoplanète. « Nous avons remarqué que le point de la surface où la température est la plus élevée s’est déplacé, ce qui ne peut se produire que lorsqu’il y a une circulation atmosphérique autour de la planète », souligne Brice-Olivier Demory. En effet, si 55 Cancri e n’avait pas d’atmosphère, son point le plus chaud devrait être situé sur la zone de la planète la plus proche de son étoile. Le déplacement observé, d’une quarantaine de degrés, ne peut se produire que sous l’action de vents violents et constants. C’était le premier signe que la planète devait avoir une atmosphère, mais les données de Spitzer n’étaient pas suffisants pour l’affirmer avec certitude.

Brice-Olivier Demory et ses collègues observent alors à nouveau la super-Terre, cette fois avec le JWST. Mais il n’est pas possible d’isoler uniquement 55 Cancri e, trop proche de son étoile. On ne peut détecter que la lumière simultanée de l’étoile et de l’exoplanète ou celle de l’étoile seule, lorsqu’elle cache 55 Cancri e. C’est en comparant le flux lumineux reçu dans les deux cas que les chercheurs ont déduit l’apport propre à la planète. Cela a permis de faire deux découvertes importantes.

Premièrement, en analysant les spectres avec l’instrument NIRCam, les chercheurs concluent que les molécules de dioxyde de carbone (CO)₂) ou du monoxyde de carbone (CO) sont présents dans l’atmosphère. Deuxièmement, l’instrument MIRI leur a permis de sonder la température de la planète, qui s’est avérée être d’environ 1 500°C, soit 300°C de moins que prévu. Cette différence de température s’explique facilement si l’exoplanète possède une atmosphère qui transférerait une partie de la chaleur reçue sur la face visible vers la face cachée. “Ces deux indices de présence d’une atmosphère obtenus par deux instruments différents confortent nos conclusions”, rapporte Brice-Olivier Demory.

Composé principalement de CO₂ ou CO, l’atmosphère de 55 Cancri e serait une atmosphère secondaire, c’est-à-dire créée bien après la formation de la planète. En fait, la planète est si proche de son étoile que des vents stellaires soufflent constamment sur son atmosphère. Or, la surface de 55 Cancri e serait un océan magmatique qui dégazerait du CO₂ et du CO, renouvelant ainsi constamment cette atmosphère, à un rythme qui reste encore à déterminer.

La quantité de CO₂ et le CO restent également à définir, ainsi que l’épaisseur de l’atmosphère. Pour l’instant, la pression ne pourrait être estimée qu’avec une grande incertitude, car elle se situerait entre celle de Mars et celle de Vénus, soit entre cent fois inférieure et 100 fois supérieure à la pression sur Terre. Selon Brice-Olivier Demory, il s’agit de « la meilleure preuve que nous ayons à ce jour d’une atmosphère autour d’une exoplanète rocheuse », mais il souligne qu’il faudra d’autres indices pour en avoir la certitude.