Département d'Ingénierie des Systèmes

Les étoiles de faible masse peuvent éroder les atmosphères planétaires

"Le système planétaire TRAPPIST-1, situé à proximité, est actuellement le meilleur candidat pour étudier les atmosphères des planètes rocheuses semblables à la Terre en orbite autour d'une naine rouge", explique Sebastian Zieba, chercheur en thèse à l'Institut Max Planck d'astronomie de Heidelberg, en Allemagne. Il est l'auteur principal d'un article à paraître dans la revue Nature.

Les astronomes ont pendant longtemps soupçonné TRAPPIST-1 c, deuxième planète du système de 7 planètes, d'être un analogue de Vénus (cf. Figure 2). En effet, à l'instar de cette dernière, le diamètre et la masse de TRAPPIST-1 c sont proches de ceux de la Terre et le rayonnement reçu de son étoile est presque identique à celui de Vénus. Toutefois, bien que relativement froide à l'extérieur, de nombreuses étoiles de ce type présentent de forts vents stellaires et un rayonnement UV intense pendant une longue période de leur vie, pouvant endommager et éroder l'atmosphère de leurs planètes.

"Nous voulions savoir si TRAPPIST-1 c avait échappé à ce destin et avait pu conserver une atmosphère substantielle, voire être semblable à la planète Vénus dans le système solaire", explique S. Zieba.

Néanmoins, étant plus massive que la Terre, son attraction gravitationnelle à sa surface est supérieure, ce qui devrait contribuer à la conservation de son atmosphère malgré les conditions.

La température, une mesure compliquée, même pour le JWST

TRAPPIST-1 c est gravitationnellement verrouillée par les forces de marée, c'est-à-dire qu'elle présente toujours la même face à son étoile. Il en résulte que la durée du jour est la même que celle d’une année (environ 2,42 jours terrestres) et qu'il y a deux hémisphères distincts, l'un en permanence éclairé et l'autre plongé dans une nuit éternelle. De plus, son orbite est orientée de telle sorte que, de notre point de vue, la planète passe devant son étoile à chaque révolution (cf. Figure 2). Cela permet d'observer la planète pendant un transit (passage de la planète devant son étoile) et juste avant et après une éclipse (lorsque la planète passe derrière son étoile). Cette dernière position permet d'observer le côté éclairé de la planète et donc de mesurer son émission thermique ainsi que les caractéristiques de l'atmosphère qui l'entoure.

Dans tous les cas, la caractérisation de l'atmosphère des planètes rocheuses de la taille de la Terre est une tâche difficile en raison de la faible luminosité de la planète par rapport à celle de l'étoile, même pour le télescope spatial James Webb (JWST). C'est pourquoi l'équipe a combiné l'observation de quatre éclipses de TRAPPIST-1 c afin d'augmenter le signal par rapport au bruit. Ils ont utilisé l'instrument MIRI dont la vision dans l'infrarouge moyen est parfaitement adaptée pour détecter l'émission thermique de l'astre. Le filtre utilisé était centré à 15 µm, correspondant à une longueur d'onde caractéristique de la bande d'absorption du CO2.

Cette méthode est la même que celle utilisée par une autre équipe de chercheurs, comprenant les astronomes du CEA Paris-Saclay, qui a permis de déterminer que TRAPPIST-1 b, la planète la plus proche du système, est probablement dépourvue d'atmosphère.

TRAPPIST-1 c pourrait avoir une fine atmosphère

Les astronomes ont combiné les observations du JWST avec des calculs de modèles pour trouver les valeurs les plus probables des propriétés atmosphériques correspondant aux données. La pression et la composition d'une atmosphère déterminent la température d'une planète en fonction de la lumière qu'elle reçoit de son étoile. Inversement, la température détermine la quantité de lumière infrarouge émise par la planète. De plus, une atmosphère substantielle, quelle que soit sa composition, redistribue la chaleur du côté jour vers le côté nuit, ce qui fait que la température du côté jour est plus basse qu'elle ne le serait sans atmosphère (cf. Figure 3). Ainsi, les mesures infrarouges combinées aux modèles fournissent des indices sur l'atmosphère et sa composition.

Contrairement aux attentes des astronomes, les températures n'atteignent "que" 110 °C, soit 390 °C de moins que sur Vénus. La lumière infrarouge émise par TRAPPIST-1 c ne correspond pas à une atmosphère vénusienne, riche en dioxyde de carbone provoquant un fort effet de serre.

"Nous pouvons définitivement exclure une atmosphère épaisse et semblable à celle de Vénus", déclare Laura Kreidberg, responsable scientifique du programme d'observation du JWST, coauteure et directrice du MPIA.

TRAPPIST-1 c possède-t-elle au moins une fine enveloppe gazeuse ? Pour explorer cette possibilité, les scientifiques ont calculé la probabilité statistique qu'un ensemble de paramètres atmosphériques corresponde aux observations. Le modèle atmosphérique comprend une gamme de pressions de surface et des mélanges d'une atmosphère dominée par l'oxygène (O2) avec des traces variables de dioxyde de carbone (CO2). En effet, les astronomes pensent que les planètes comme TRAPPIST-1 c devaient posséder une atmosphère contenant du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau au début de leur évolution. Au fil du temps, le rayonnement stellaire décompose les molécules d'eau en hydrogène et en oxygène. Alors que l'hydrogène, très volatil, s'échappe progressivement dans l'espace, les molécules d'oxygène, plus lourdes, subsistent, ce qui donne une atmosphère riche en oxygène avec des traces de dioxyde de carbone.

Bien que ces premières mesures ne fournissent pas d'informations définitives sur la nature de TRAPPIST-1 c, elles permettent de limiter les possibilités.

"Nos résultats sont cohérents avec le fait que la planète soit un rocher nu sans atmosphère, ou qu'elle ait une atmosphère de CO2 très fine (plus fine que celle de la Terre ou même de Mars) sans nuages", a déclaré Zieba. "Si la planète avait une atmosphère de CO2 épaisse, nous aurions observé une éclipse secondaire très peu profonde, voire aucune. En effet, le CO2 aurait absorbé toute la lumière de 15 microns, de sorte que nous n'en aurions détecté aucune en provenance de la planète."

Ce résultat permet de penser que des planètes rocheuses suffisamment lourdes autour d'étoiles froides de faible masse puissent maintenir une atmosphère pendant une fraction significative de la durée de vie stellaire, puisque l'étoile TRAPPIST-1 est au moins aussi vieille que le Soleil.

"Ce résultat est vraiment très intéressant, dans le cas de TRAPPIST-1 b, la température mesurée à 15 microns était en accord avec une planète dénuée d'atmosphère (Greene et al. 2023), mais là avec TRAPPIST-1 c, la mesure nous laisse espérer la présence d'une fine atmosphère composée d'un mélange d'oxygène et de carbone", se réjouit Elsa Ducrot, chercheuse au CEA Paris-Saclay, troisième auteure de l'article.