Une équipe internationale menée par Michaël Gillon (Université de Liège, FNRS) et Elsa Ducrot (CEA Paris-Saclay/Observatoire de Paris, ULiège) vient de réaliser une première mondiale : dresser la carte thermique de deux planètes rocheuses de taille terrestre situées dans le système TRAPPIST-1, grâce au télescope spatial James Webb (JWST).
Les chercheurs ont observé les planètes TRAPPIST-1 b et c, deux mondes recevant respectivement quatre et deux fois plus de rayonnement que la Terre, en suivant l’évolution de leur émission infrarouge tout au long de leur orbite. Cette technique, dite de « courbe de phase thermique », permet pour la première fois de comparer directement la température entre la face éclairée et la face nocturne de planètes rocheuses tempérées hors du Système solaire. Ces planètes ont en effet la particularité de toujours montrer la même face à leur étoile, tout comme la Lune vis-à-vis de la Terre.
Les résultats montrent que TRAPPIST-1 b ne possède vraisemblablement aucune atmosphère significative. Sa face éclairée atteint près de 500 K (227 °C), tandis que son côté nuit reste extrêmement froid, un comportement attendu pour une planète rocheuse sans atmosphère et couverte de roches sombres.
TRAPPIST-1 c présente une situation plus nuancée : sa face jour (~370 K) est nettement plus chaude que sa face nuit (<260 K). Le contraste thermique reste important, ce qui exclut la présence d’atmosphère denses comme celles de Vénus et de la Terre. Cependant, les données restent compatibles avec l’existence d’une atmosphère ténue ou avec des propriétés de surface différentes (comme son pouvoir réflechissant) de celles de TRAPPIST-1b.
Des observations complémentaires avec JWST sont en cours pour affiner cette interprétation.
« Nos observations excluent la présence d’atmosphères épaisses et riches en gaz à effet de serre, mais montrent aussi que les deux planètes ont suivi des évolutions divergentes malgré leurs compositions similaires », explique Elsa Ducrot.Ces résultats resserrent considérablement les scénarios plausibles sur la nature de ces deux mondes et éclairent la capacité des petites planètes autour d’étoiles de très faible masse à conserver une atmosphère face à un rayonnement intense.
Les résultats sont publiés dans Nature Astronomy sous le titre : “No thick atmosphere around TRAPPIST-1 b and c from JWST thermal phase curves”
Un des programmes d’observations avec l’intrument MIRI les plus ambitieux jamais menés avec JWST
Cette première courbe de phase thermique de planètes rocheuses tempérées a été obtenue en observant le système pendant près de 60 heures consécutives (soit 2,5 jours) avec l’instrument MIRI à bord du JWST. Il s’agit à ce jour de l’un des programmes d’observation continue les plus ambitieux jamais menés avec JWST.
Seul MIRI peut détecter l’émission thermique (la chaleur) de planètes rocheuses pas trop chaudes comme TRAPPIST-1 b et c, car cet instrument permet d’observer dans le moyen infrarouge, au-delà de 10 microns, là où ces planètes émettent la majeure partie de leur flux thermique. Pour rappel, TRAPPIST-1 b reçoit moins de flux de son étoile que Mercure du Soleil, et TRAPPIST-1 c en reçoit environ autant que Vénus. Ce sont les planètes les plus froides pour lesquelles les scientifiques ont réussi à obtenir une courbe de phase thermique.
Un système emblématique : TRAPPIST-1
Découvert en 2015 par l’équipe de Michaël Gillon à l’Université de Liège grâce au télescope TRAPPIST, puis étudié par d’autres instruments dont le télescope spatial Spitzer de la NASA (désormais hors service), TRAPPIST-1 est devenu un système emblématique.
Composé de sept planètes rocheuses tempérées de taille comparable à la Terre, dont trois dans la zone habitable, il fascine autant les scientifiques que le grand public. C’est aujourd’hui l’un des systèmes planétaires les mieux caractérisés après le nôtre, et aussi le plus observé par le JWST.
Sa découverte a été faite dans le cadre du prototype de SPECULOOS, un projet ambitieux de recherches de planètes rocheuses en orbite autour d’étoiles proches de très petite masse.
Une étape clé vers la recherche de vie ailleurs
Cette première cartographie thermique de planètes rocheuses tempérées marque une avancée majeure. Elle fournit des contraintes inédites sur la capacité de ces mondes à retenir ou perdre leur atmosphère, un paramètre essentiel pour évaluer leur potentiel d’habitabilité.
« Avec JWST, nous passons d’une ère de détection à une ère de caractérisation fine. Nous pouvons désormais explorer non seulement la taille et la masse d’exoplanètes tempérées de taille terrestre, mais aussi leur surface et leur climat. C’est un pas de géant vers la compréhension de leur habitabilité potentielle », résume Michaël Gillon.Cette étude démontre la puissance du JWST pour sonder directement la composition et l’évolution de planètes rocheuses tempérées et ouvre la voie à l’exploration détaillée des trois planètes de TRAPPIST-1 situées dans la zone habitable.
Une étape décisive pour l’étude des mondes habitables
Ces mesures constituent la première cartographie détaillée de planètes rocheuses tempérées en dehors du Système solaire. Elles apportent également la preuve la plus solide à ce jour que la planète la plus interne de TRAPPIST-1 n’a aujourd’hui pas d’atmosphère.
Pour TRAPPIST-1 b, l’histoire semble close : pas d’atmosphère. Mais Pour TRAPPIST-1 c, d’autres analyses sont prévues afin de déterminer si la redistribution de chaleur varie comme attendu par un scénario avec ou sans atmosphère.
Au-delà de ce système particulier, ce résultat ouvre la voie à l’utilisation des courbes de phase thermique pour d’autres planètes rocheuses, y compris celles situées dans la zone habitable de leur étoile, afin d’y rechercher la présence d’atmosphères.
C’est en s’inspirant des premiers résultats obtenus en observant les planètes TRAPPIST-1 b et c en émission qu’à été accepté le programme Rocky Worlds sur le JWST. Ce programme d’un total de 500 heures a pour but d’observer une dizaine de planètes rocheuses plus ou moins chaude en orbite autour d’étoiles froides (comme TRAPPIST-1) afin de savoir si ces dernières ont oui ou non gardé une atmosphère.
Contacts :
- Elsa DUCROT, astronome-adjointe au CEA.
- Martin Turbet, chargé de recherche CNRS au Laboratoire de Météorologie Dynamique et au Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux.
- Alice Maurel, docteure en Astrophysique, précédemment en doctorat à l’Institut d’Astrophysique de Paris et au Laboratoire de Météorologie Dynamique.
