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Un outil pour mesurer les fuites d'atmosphère des exoplanètes
Toutes les planètes perdent leur atmosphère. Chaque jour, environ 90 tonnes d'hydrogène et d'hélium s'échappent de la Terre en direction de l'espace. A ce rythme nous disposons encore de 150 milliards d'années de réserve, a indiqué mardi le Fonds national suisse (FNS) dans un communiqué.
Tel une comète, un gigantesque nuage d'hydrogène s'échappe de l'exoplanète de type Neptune-chaude GJ 436b (Gliese 436b). [G. Bacon (vue d'artiste) - NASA/ESA/STScI]"Il n'y a pas de frontière franche entre l'atmosphère et le vide spatial", dit l'astrophysicien David Ehrenreich, professeur à l'Observatoire de Genève. "De ce fait, les atomes et molécules qui vont se retrouver tout en haut de notre atmosphère sont animés de mouvements rapides et, à ces altitudes de plusieurs centaines de kilomètres, il n'y a plus assez d'atomes et de molécules qui puissent se rentrer dedans comme au sol. Au lieu d'être freinés, ces atomes vont s'échapper par l'espace. De cette manière, la Terre perd environ trois kilos d'hydrogène par seconde", précise-t-il au micro de CQFD.
Ultraviolet et infrarouge
Parfois, le phénomène se joue en accéléré: "Au-delà de notre Système Solaire, certaines exoplanètes géantes – dont les atmosphères sont principalement composées d'hydrogène et d'hélium – tournent tellement près de leur étoile, que leur atmosphère s'échappe vigoureusement et elles perdent facilement entre 100 à 1000 tonnes d'hydrogène par seconde et également de l'hélium".
Leur atmosphère s'embrase et les molécules, surchauffées, ont suffisamment d'énergie pour échapper en masse à la gravité. Il est impossible de voir cette fuite d'hydrogène depuis la Terre: "Ce signal, on le détecte dans les rayons ultraviolets: ceux-ci n'atteignent pas le sol. Pour pouvoir les observer, on est obligé de monter au-dessus de notre atmosphère et c'est ce qu'on fait avec le télescope spatial Hubble" (lire encadré), explique David Ehrenreich.
"Les fuites d'hélium, on peut les observer dans une autre couleur, à l'autre bout de l'arc-en-ciel, qui s'appelle l'infrarouge – proche de notre couleur rouge – et on peut l'observer avec des instruments au sol".
Alternative aux télescopes spatiaux
Le laboratoire de David Ehrenreich, à l'Université de Genève, a mis au point "p-winds", un outil informatique qui modélise l'échappement atmosphérique des exoplanètes. Il est disponible en open-source pour l'ensemble de la communauté scientifique.
En effet, il est difficile de détecter l'hélium depuis l'espace: "Il ne s'observe que sur une bande de couleur très étroite et les instruments spatiaux ne sont pas vraiment conçus pour observer avec un tel niveau de discernement", ajoute l'astrophysicien.
"Nous avons conçu l'outil p-winds pour interpréter les observations dans les infrarouges et fournir une alternative aux télescopes spatiaux, avec lesquels il est long et difficile d'obtenir du temps d'observation", note Leonardo Dos Santos, qui a développé le code lors de sa thèse de doctorat à Genève, cité dans le communiqué.
Le logiciel ne permet pas encore d'estimer la totalité de l'échappement: "Il faudrait que nous ayons une idée plus précise du rapport entre hydrogène et hélium dans divers types d'exoplanètes, pour calculer le premier à partir du second", dit-il.
>> La prédiction du logiciel (en rouge) et les mesures (en noir):
En noir, le spectre de transmission de l'exoplanète Kepler-3 b (HAT-P-11 b) mesuré avec CARMENES (un instrument constitué de deux spectrographes travaillant dans la lumière visible et l'infrarouge), et un échantillon de 100 modèles de p-winds ajustés aux données, en rouge. [L. A. Dos Santos, D. Ehrenreich et al. - Astronomy & Atrsophysics]
Des géantes d'autrefois
A ce jour, 5000 exoplanètes ont été identifiées; les "Neptunes ultra-chaudes" sont parmi les plus rares. D'une taille comparable à leur homologue du Système Solaire, elles sont si proches de leur étoile qu'elles dépassent les 2000 degrés Celsius en surface. A ces températures, les gaz s'échappent à grande vitesse.
L'exoplanète WASP-107b orbite une étoile dont les radiations érodent son atmosphère. L'hélium s'en échappant a été détecté par David Ehrenreich et son équipe, notamment. [U.Exeter (vue d'artiste) - EngineHouseVFX]"Elles fascinent les astronomes!", s'enthousiasme David Ehrenreich: "On les voit en train de perdre leur atmosphère à un rythme effréné et, parallèlement, on voit des planètes rocheuses, extrêmement chaudes – probablement recouvertes de lave – et on se demande si les premières n'ont pas engendré les secondes en perdant toute leur atmosphère. Est-ce que ces super-terres très chaudes sont les résidus, les cœurs rocheux, de ces Neptunes ultra-chaudes qui sont en train de s'évaporer?"
"Si les planètes de ce type sont rares, c'est peut-être précisément parce qu'elles ont perdu la plus grande partie de leur atmosphère", explique Leonardo Dos Santos. "On peut imaginer qu'elles étaient des géantes de la taille de Jupiter, et qu'elles ont rétréci à deux ou trois fois le diamètre de la Terre. En modélisant le phénomène, p-winds pourrait tester cette hypothèse", selon lui.
Malgré les dizaines d'années-lumière qui nous séparent de ces corps célestes, ces questions concernent également notre planète. La Terre a sans doute perdu une grande partie de son atmosphère au début de son existence. Le modèle pourrait ainsi servir à prédire le futur des exoplanètes similaires à la Terre, notamment. Ces travaux sont publiés dans la revue Astronomy & Astrophysics.
>> Une galerie de la NASA des exoplanètes les plus étranges: Strange New Worlds
Interview radio: Stéphane Délétroz
Version web: Stéphanie Jaquet et l'ats
Hubble a mesuré l'atmosphère de planètes extrasolaires à 39,5 années-lumière
Les astronomes utilisant le télescope spatial Hubble ont réalisé une étude spectroscopique des planètes de taille terrestre dans la zone habitable du système TRAPPIST-1.
Ces mesures révèlent que les cinq premières planètes au moins ne semblent pas posséder d'atmosphères amples et riches en hydrogène, semblables à celles des planètes gazeuses comme Neptune. Cela signifie que les atmosphères peuvent être plus superficielles et riches en gaz plus lourds comme le dioxyde de carbone, le méthane et l'oxygène.
>> Hubble observe l'atmosphère des exoplanètes du système TRAPPIST-1, dans la zone habitable (en anglais):