L'étude la plus approfondie des compositions chimiques atmosphériques des exoplanètes à ce jour a révélé des tendances qui remettent en question les théories actuelles de la formation des planètes et ont des implications pour la recherche d'eau dans le système solaire et au-delà.

Une équipe de chercheurs, dirigé par l'Université de Cambridge, utilisé les données atmosphériques de 19 exoplanètes pour obtenir des mesures détaillées de leurs propriétés chimiques et thermiques. Les exoplanètes de l'étude couvrent une large gamme de tailles - des "mini-Neptunes" de près de 10 masses terrestres aux "super-Jupiters" de plus de 600 masses terrestres - et la température, de près de 20C à plus de 2000C. Comme les planètes géantes de notre système solaire, leurs atmosphères sont riches en hydrogène, mais ils orbitent différents types d'étoiles.

Les chercheurs ont découvert que si la vapeur d'eau est courante dans l'atmosphère de nombreuses exoplanètes, les montants étaient étonnamment inférieurs aux prévisions, tandis que les quantités d'autres éléments trouvés dans certaines planètes étaient conformes aux attentes. Les résultats, qui font partie d'un programme de recherche de cinq ans sur les compositions chimiques des atmosphères planétaires en dehors de notre système solaire, sont signalés dans le Lettres de revues astrophysiques .

"Nous voyons les premiers signes de modèles chimiques dans les mondes extraterrestres, et nous voyons à quel point ils peuvent être divers en termes de compositions chimiques, " a déclaré le chef de projet Dr Nikku Madhusudhan de l'Institut d'astronomie de Cambridge, qui a mesuré pour la première fois de faibles abondances de vapeur d'eau dans des exoplanètes géantes il y a cinq ans.

Dans notre système solaire, la quantité de carbone par rapport à l'hydrogène dans les atmosphères des planètes géantes est nettement plus élevée que celle du soleil. On pense que cette abondance « super-solaire » est apparue lors de la formation des planètes, et de grandes quantités de glace, des roches et d'autres particules ont été introduites dans la planète dans un processus appelé accrétion.

On a prédit que l'abondance d'autres éléments serait tout aussi élevée dans l'atmosphère des exoplanètes géantes, en particulier l'oxygène, qui est l'élément le plus abondant dans l'univers après l'hydrogène et l'hélium. Cela signifie que l'eau, un porteur dominant d'oxygène, devrait également être surabondant dans de telles atmosphères.

Les chercheurs ont utilisé de nombreuses données spectroscopiques provenant de télescopes spatiaux et terrestres, dont le télescope spatial Hubble, le télescope spatial Spitzer, le Very Large Telescope au Chili et le Gran Telescopio Canarias en Espagne. L'éventail des observations disponibles, ainsi que des modèles de calcul détaillés, Méthodes statistiques, et les propriétés atomiques du sodium et du potassium, a permis aux chercheurs d'obtenir des estimations des abondances chimiques dans les atmosphères des exoplanètes à travers l'échantillon.

L'équipe a signalé l'abondance de vapeur d'eau dans 14 des 19 planètes, et l'abondance de sodium et de potassium dans six planètes chacune. Leurs résultats suggèrent un épuisement de l'oxygène par rapport à d'autres éléments et fournissent des indices chimiques sur la façon dont ces exoplanètes ont pu se former sans accrétion substantielle de glace.

"Il est incroyable de voir de si faibles abondances d'eau dans les atmosphères d'un large éventail de planètes en orbite autour d'une variété d'étoiles, " dit Madhusudhan.

"Mesurer les abondances de ces produits chimiques dans les atmosphères exoplanétaires est quelque chose d'extraordinaire, considering that we have not been able to do the same for giant planets in our solar system yet, including Jupiter, our nearest gas giant neighbour, " said Luis Welbanks, lead author of the study and Ph.D. student at the Institute of Astronomy.

Various efforts to measure water in Jupiter's atmosphere, including NASA's current Juno mission, have proved challenging. "Since Jupiter is so cold, any water vapour in its atmosphere would be condensed, making it difficult to measure, " said Welbanks. "If the water abundance in Jupiter were found to be plentiful as predicted, it would imply that it formed in a different way to the exoplanets we looked at in the current study."

"We look forward to increasing the size of our planet sample in future studies, " said Madhusudhan. "Inevitably, we expect to find outliers to the current trends as well as measurements of other chemicals."

These results show that different chemical elements can no longer be assumed to be equally abundant in planetary atmospheres, challenging assumptions in several theoretical models.

"Given that water is a key ingredient to our notion of habitability on Earth, it is important to know how much water can be found in planetary systems beyond our own, " said Madhusudhan.