Lorsque le télescope spatial James Webb de la NASA sera lancé en 2021, l'une de ses contributions les plus attendues à l'astronomie sera l'étude des exoplanètes, des planètes en orbite autour d'étoiles lointaines. L'une des questions les plus urgentes en science des exoplanètes est la suivante :un petit, exoplanète rocheuse en orbite près d'une étoile naine rouge s'accroche-t-elle à une atmosphère ?

Dans une série de quatre articles de la Journal d'astrophysique , une équipe d'astronomes propose une nouvelle méthode d'utilisation de Webb pour déterminer si une exoplanète rocheuse a une atmosphère. La technique, qui consiste à mesurer la température de la planète lorsqu'elle passe derrière son étoile puis revient en vue, est nettement plus rapide que les méthodes plus traditionnelles de détection atmosphérique comme la spectroscopie de transmission.

"Nous constatons que Webb pourrait facilement déduire la présence ou l'absence d'une atmosphère autour d'une douzaine d'exoplanètes rocheuses connues avec moins de 10 heures de temps d'observation par planète, " a déclaré Jacob Bean de l'Université de Chicago, un co-auteur sur trois des articles.

Les astronomes s'intéressent particulièrement aux exoplanètes en orbite autour d'étoiles naines rouges pour un certain nombre de raisons. Ces étoiles, qui sont plus petits et plus frais que le soleil, sont le type d'étoile le plus répandu dans notre galaxie. Aussi, car une naine rouge est petite, une planète passant devant elle semblera bloquer une plus grande fraction de la lumière de l'étoile que si l'étoile était plus grande, comme notre soleil. Cela rend la planète en orbite autour d'une naine rouge plus facile à détecter grâce à cette technique de "transit".

Les naines rouges produisent également beaucoup moins de chaleur que notre soleil, alors pour profiter de températures habitables, une planète devrait orbiter assez près d'une étoile naine rouge. En réalité, pour être dans la zone habitable – la zone autour de l'étoile où de l'eau liquide pourrait exister à la surface d'une planète – la planète doit orbiter beaucoup plus près de l'étoile que Mercure ne l'est du soleil. Par conséquent, il traversera l'étoile plus fréquemment, faciliter les observations répétées.

Mais une planète en orbite si proche d'une naine rouge est soumise à des conditions difficiles. Les jeunes naines rouges sont très actives, faire exploser d'énormes fusées éclairantes et des éruptions de plasma. L'étoile émet également un fort vent de particules chargées. Tous ces effets pourraient potentiellement éroder l'atmosphère d'une planète, laissant derrière lui un rocher nu.

"La perte atmosphérique est la menace existentielle numéro un pour l'habitabilité des planètes, " dit Haricot.

Une autre caractéristique clé des exoplanètes en orbite près des naines rouges est au cœur de la nouvelle technique :elles devraient être verrouillées par les marées, ce qui signifie qu'ils ont un côté jour et un côté nuit permanents. Par conséquent, nous voyons différentes phases de la planète à différents points de son orbite. Quand il croise le visage de l'étoile, nous ne voyons que la face nocturne de la planète. Mais lorsqu'il est sur le point de passer derrière l'étoile (un événement connu sous le nom d'éclipse secondaire), ou sort juste de derrière l'étoile, nous pouvons observer le jour.

Si une exoplanète rocheuse manque d'atmosphère, sa journée serait très chaude, tout comme nous le voyons avec la Lune ou Mercure. Cependant, si une exoplanète rocheuse a une atmosphère, la présence de cette atmosphère devrait abaisser la température diurne que Webb mesurerait. Il pourrait le faire de deux manières. Une atmosphère épaisse pourrait transporter la chaleur du côté jour vers le côté nuit par les vents. Une atmosphère plus mince pourrait encore héberger des nuages, qui reflètent une partie de la lumière stellaire entrante, abaissant ainsi la température du côté jour de la planète.

"Chaque fois que vous ajoutez une atmosphère, vous allez baisser la température du jour. Donc, si nous voyons quelque chose de plus cool que la roche nue, nous déduirions que c'est probablement le signe d'une atmosphère, " a expliqué Daniel Koll du Massachusetts Institute of Technology (MIT), l'auteur principal de deux des articles.

Webb est idéal pour effectuer ces mesures car il possède un miroir beaucoup plus grand que d'autres télescopes tels que les télescopes spatiaux Hubble ou Spitzer de la NASA, ce qui lui permet de capter plus de lumière, et il peut cibler les longueurs d'onde infrarouges appropriées.

Les calculs de l'équipe montrent que Webb devrait être capable de détecter la signature thermique de l'atmosphère d'une planète lors d'une à deux éclipses secondaires, soit quelques heures seulement d'observation. En revanche, la détection d'une atmosphère par des observations spectroscopiques nécessiterait généralement huit transits ou plus pour ces mêmes planètes.

Spectroscopie de transmission, qui étudie la lumière des étoiles filtrée à travers l'atmosphère de la planète, souffre également d'interférences dues aux nuages ​​ou aux brumes, qui peuvent masquer les signatures moléculaires de l'atmosphère. Dans ce cas, le tracé spectral, plutôt que de montrer des raies d'absorption prononcées dues aux molécules, serait essentiellement plat.

"En spectroscopie de transmission, si vous obtenez une ligne plate, ça ne te dit rien. La ligne plate pourrait signifier que l'univers est plein de planètes mortes qui n'ont pas d'atmosphère, ou que l'univers est plein de planètes qui ont toute une gamme de divers, ambiances intéressantes, mais ils se ressemblent tous pour nous parce qu'ils sont nuageux, " a déclaré Eliza Kempton de l'Université du Maryland, un co-auteur sur trois des articles.

"Les atmosphères d'exoplanètes sans nuages ​​ni brumes sont comme des licornes - nous ne les avons tout simplement pas encore vues, et ils peuvent ne pas exister du tout, " elle a ajouté.

L'équipe a souligné qu'une température diurne plus fraîche que prévu serait un indice important, mais cela ne confirmerait pas absolument l'existence d'une atmosphère. Tout doute persistant sur la présence d'une atmosphère peut être écarté grâce à des études de suivi utilisant d'autres méthodes comme la spectroscopie de transmission.

La véritable force de la nouvelle technique sera de déterminer quelle fraction d'exoplanètes rocheuses a probablement une atmosphère. Environ une douzaine d'exoplanètes qui sont de bons candidats pour cette méthode ont été détectées au cours de la dernière année. D'autres seront probablement trouvés au moment où Webb sera opérationnel.

"Le satellite d'étude des exoplanètes en transit, ou TESS, trouve des tas de ces planètes, " a déclaré Kempton.

La méthode de l'éclipse secondaire a une limitation clé :elle fonctionne mieux sur les planètes trop chaudes pour être situées dans la zone habitable. Cependant, déterminer si ces planètes chaudes hébergent ou non des atmosphères a des implications importantes pour les planètes de la zone habitable.

"Si les planètes chaudes peuvent s'accrocher à une atmosphère, les plus froids devraient pouvoir le faire au moins aussi bien, " a déclaré Koll.

Le télescope spatial James Webb sera le premier observatoire mondial des sciences spatiales lors de son lancement en 2021. Webb résoudra les mystères de notre système solaire, regarder au-delà des mondes lointains autour d'autres étoiles, et sonder les structures et les origines mystérieuses de notre univers et notre place dans celui-ci. Webb est un projet international mené par la NASA avec ses partenaires, ESA (Agence spatiale européenne) et l'Agence spatiale canadienne.