Les chercheurs utilisant le télescope spatial James Webb NASA/ESA/CSA ont peut-être détecté une atmosphère entourant 55 Cancri e, une exoplanète rocheuse située à 41 années-lumière de la Terre. Il s’agit de la meilleure preuve à ce jour d’une atmosphère de planète rocheuse en dehors de notre système solaire. Brice-Olivier Demory, professeur d'astrophysique à l'Université de Berne et membre du Pôle de recherche national (PRN) PlanetS, faisait partie de l'équipe de recherche internationale qui vient de publier les résultats dans Nature .
55 Cancri e est l'une des cinq planètes connues en orbite autour d'une étoile semblable au soleil dans la constellation du Cancer. Avec un diamètre presque deux fois supérieur à celui de la Terre et une densité légèrement supérieure, la planète est classée comme une super Terre :plus grande que la Terre, plus petite que Neptune et de composition similaire aux planètes rocheuses de notre système solaire.
Brice-Olivier Demory du Centre Espace et Habitabilité CSH de l'Université de Berne et membre du PRN PlanetS est co-auteur de l'étude. Il déclare :« 55 Cancri e est l'une des exoplanètes les plus énigmatiques. Malgré le temps d'observation énorme obtenu avec une douzaine d'installations terrestres et spatiales au cours de la dernière décennie, sa nature même est restée insaisissable, jusqu'à aujourd'hui, lorsque des parties du puzzle pourrait enfin être mis en place grâce au télescope spatial James Webb (JWST)".
De manière inattendue, ces observations montrent qu'il pourrait être possible pour une planète rocheuse chaude et fortement irradiée de maintenir une atmosphère gazeuse, et de bon augure pour la capacité du JWST à caractériser des planètes rocheuses plus froides, potentiellement habitables, en orbite autour d'étoiles semblables au soleil.
Renyu Hu du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA a dirigé l'équipe. "JWST repousse vraiment les frontières de la caractérisation des exoplanètes jusqu'aux exoplanètes rocheuses", a déclaré Hu. "Cela permet véritablement un nouveau type de science."
Demory a été invité au programme de recherche par Hu, qui était l'un de ses collègues lorsqu'il était au Massachusetts Institute of Technology (MIT). Demory étudie le 55 Cancri e depuis le début de sa carrière. "En tant que postdoctorant au MIT, j'ai dirigé la découverte du premier transit de 55 Cancri e et, en 2016, mon équipe a publié la première carte d'une exoplanète rocheuse, qui était 55 Cancri e." Le résultat de 2016 faisait déjà allusion à la présence possible d'une atmosphère autour de 55 Cancri e.
Pour la présente étude, Demory a mené une analyse indépendante de l’ensemble de données JWST. Il explique :« Au cours des deux dernières années, le télescope spatial CHEOPS, développé et construit à l'Université de Berne, a joué un rôle clé dans la résolution de plusieurs questions que les astrophysiciens se posaient à propos de 55 Cancri e. JWST a complété cette image dans les longueurs d'onde infrarouges en montrant que la super-Terre 55 Cancri e pourrait être entourée d'une atmosphère dont la composition est compatible avec le monoxyde de carbone ou le dioxyde de carbone. "
Super-Terre super chaude et toujours plus froide que prévu
Bien que 55 Cancri e soit de composition similaire aux planètes rocheuses de notre système solaire, la qualifier de « rocheuse » pourrait laisser une fausse impression. La planète orbite si près de son étoile (une orbite complète dure 18 heures, contre 365 jours sur notre Terre) que sa surface doit être en fusion – un océan de magma profond et bouillonnant. Avec une orbite aussi étroite, la planète est également susceptible d'être verrouillée par les marées, avec un côté jour faisant face à l'étoile à tout moment et un côté nuit dans l'obscurité perpétuelle. "La planète est si chaude qu'une partie de la roche en fusion devrait s'évaporer", a expliqué Hu.
Bien que JWST ne puisse pas capturer une image directe de 55 Cancri e, il peut mesurer les changements subtils de la lumière du système lorsque la planète tourne autour de l'étoile. L'équipe a utilisé la NIRCam (Near-Infrared Camera) et le MIRI (Mid-Infrared Instrument) de JWST pour mesurer la lumière infrarouge provenant de la planète.
En soustrayant la luminosité pendant l'éclipse secondaire, lorsque la planète est derrière l'étoile (lumière des étoiles uniquement), de la luminosité lorsque la planète est juste à côté de l'étoile (lumière de l'étoile et de la planète combinées), l'équipe a pu calculer la quantité de lumière infrarouge provenant du côté jour de la planète à plusieurs longueurs d'onde simultanément.
La première indication selon laquelle 55 Cancri e pourrait avoir une atmosphère substantielle est venue de mesures de température basées sur son émission thermique, ou l'énergie thermique dégagée sous forme de lumière infrarouge. Si la planète est recouverte de roches sombres en fusion avec un mince voile de roche vaporisée ou sans atmosphère du tout, la température du côté jour devrait être d'environ 2 200 degrés Celsius.
"Au lieu de cela, les données MIRI ont montré une température relativement basse d'environ 1 500 degrés Celsius", a déclaré Hu. "C'est une très forte indication que l'énergie est distribuée du côté jour vers le côté nuit, très probablement par une atmosphère riche en volatilité."
Bien que les courants de lave puissent transporter une certaine chaleur vers la nuit, ils ne peuvent pas la déplacer suffisamment efficacement pour expliquer l’effet de refroidissement. En fait, le jour semble plus frais de plusieurs centaines de degrés qu’il ne le devrait, même si la chaleur est répartie uniformément sur la planète. Cela est logique si une partie de la lumière infrarouge émise par la surface est absorbée par l'atmosphère et n'atteint jamais le télescope.
L'équipe pense que les gaz qui recouvrent 55 Cancri e jaillissent de l'intérieur. L'atmosphère primaire aurait disparu depuis longtemps à cause de la température élevée et du rayonnement intense de l'étoile.
Il s’agirait d’une atmosphère secondaire continuellement reconstituée par l’océan magmatique. Le magma n'est pas seulement constitué de cristaux et de roches liquides, il contient également beaucoup de gaz dissous.
Bien que 55 Cancri e soit beaucoup trop chaude pour être habitable, elle pourrait constituer une fenêtre unique pour étudier les interactions entre les atmosphères, les surfaces et l'intérieur des planètes rocheuses, et peut-être fournir un aperçu des débuts de la Terre, de Vénus et de Mars, dont on pense qu'ils ont été recouvert d'océans magmatiques dans le passé. "En fin de compte, nous voulons comprendre quelles conditions permettent à une planète rocheuse de maintenir une atmosphère riche en gaz :l'ingrédient clé d'une planète habitable", a déclaré Hu.
Plus d'informations : Renyu Hu et al, Une atmosphère secondaire sur l'exoplanète rocheuse 55 Cancri e, Nature (2024). DOI :10.1038/s41586-024-07432-x
Informations sur le journal : Nature
Fourni par l'Université de Berne
