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Liquéfier une exoplanète rocheuse

Une planète Terre assez chaude pour être fondue, serait environ 5% plus large que son équivalent solide. C’est le résultat d’une étude menée par des chercheurs de l’Université de Berne. La différence entre des planètes fondues et solides est importantes pour la recherche de mondes similaires à la Terre, au delà de notre système solaire, et pour la compréhension de la Terre elle-même.

L’intérieur d’une exoplanète rocheuse fondue. (Illustration Thibaut Roger/NCCR PlanetS)

Les exoplanètes rocheuses qui sont de taille terrestre sont relativement petite, ce qui les rend extrêmement difficiles à détecter et characteriser avec des télescopes. Quelles sont donc les conditions optimales pour trouver de si petites planètes qui se cachent dans les ombres ? “Une planète rocheuse qui est chaude et fondue, et qui a potentiellement une large atmosphère de dégazage remplie toutes les conditions,” déclare Dan Bower, astrophysicien au Center for Space and Habitability (CSH) de l’Université de Berne. Une telle planète pourrait être plus facilement visible par les télescopes, grâce à une forte émission de radiations en comparaison de son équivalent solide. Le chercheur postdoctoral SNF Ambizione et CSH Fellow continue: “Je l’avoue, vous ne voudriez surement pas passer vos vacances sur une de ces planètes, mais leur étude est des plus importantes dans la mesure où beaucoup si ce n’est toutes les planètes rocheuses commencent leur vie comme des globules fondues. Malgré tout, certains peuvent devenir propice à la vie comme la Terre.” 

Les planètes rocheuses sont constitués de ce qui est reste des restes. “Tout ce qui ne finit pas d’abord dans l’étoile centrale ou ensuite dans une planète géante, va potentiellement finir par former une plus petite planète tellurique,” dit Bower: “Nous avons des raisons de penser que les processus qui se déroulent durant les années de prime jeunesse de la vie d’une planète, sont fondamentales pour déterminer son évolution durant le restant de sa vie.” C’est pourquoi, Bower et son équipe de chercheurs postdoctorants – principalement du PNR PlanetS – ont été curieux de découvrir la nature de l’observabilité d’une telle planète. Leur étude est désormais publiée dans le journal Astronomy & Astrophysics. Elle montre qu’une Terre fondue serait en fait environ 5% plus large qu’une Terre solide, et cela est dû à la différence de comportement des matériaux solides face à ceux liquides, dans les conditions extrêmes que l’on trouve à l’intérieur d’une planète. “En résumé, des silicates fondues et liquides occupent plus de volume que leur équivalent solide, ce qui augmente la taille de la planète,” explique Bower.

Une différence que CHEOPS peut déterecter

Concernant la charactérisation de planètes hors de notre système solaire, et la recherche de mondes propices à la vie, les chercheurs de l’Université de Berne sont parmi les leaders mondiaux. Bien que la détection d’une planète rocheuse autour d’une étoile brillante similaire au soleil, restera inaccessible au moins jusqu’au lancement de la mission spatiale PLATO en 2026, des planètes telluriques autour d’étoiles plus froides et plus petites, telles les naines rouges Trappist-1 ou Proxima b occupent désormais un rôle central. De manière assez intéressante, 5% de différence de rayon pour une planète, peut déjà être mesuré grâce aux actuelles et futures capacités d’observation, notamment le télescope spatial CHEOPS qui a été développé et assez à Berne, et qui sera lancé plus tard cette année. En effet, les dernières données concernant les exoplanètes suggèrent déjà que des planètes de faible masse, fondues par l’intense rayonnement reçu de leur étoile, sont présentes dans le catalogue des exoplanètes connues. Certains exoplanètes pourraient donc être similaires à la Terre en terme de constituants de base, tout en ayant des proportions différentes de roches solides et fondues, pour expliquer les variations observées dans les tailles de planètes. “Elles n’ont pas forcément besoin d’être composées de matériaux légers exotiques pour expliquer les données,” affirme Bower.

Cependant, même une planète totalement fondue pourrait ne pas être à même d’expliquer les cas les plus extrêmes de planète à faible densité. Mais pour cela aussi, l’équipe a une proposition : les planètes fondues tôt durant leur histoire, peut dégazer de larges atmosphères d’espèces chimiques volatiles qui étaient originellement piégées dans le magma au sein de la planète. Cela pourrait expliquer davantage de diminution dans la densité observée des exoplanètes. Le James Webb Space Telescope (JWST) devrait être capable de distinguer une telle atmosphère de dégazage pour une planète autour d’une naine rouge froide, si cette atmosphère est dominée soit par de l’eau, soit pas du dioxide de carbone.

En plus des conséquences pour les observations, Bower, de par ses racines en sciences de la Terre, voit également cette étude dans une contexte plus global: “Clairement, on ne pourra jamais observer notre propre Terre et son histoire lorsqu’elle était elle-même chaude et fondue. Mais de manière intéressante, les sciences exoplanétaires ouvrent la porte à l’observation d’analogues de la Terre primitive, ou de Vénus primitive, ce qui pourrait grandement influencer notre compréhension de la Terre et des planètes du système solaire. Penser à la Terre dans le contexte des exoplanètes, et inversement, amène de nouvelles opportunités pour comprendre les planètes à la fois dans notre système solaire et au-delà.”

Référence:
Dan J. Bower et al: Linking the evolution of terrestrial interiors and an early outgassed atmosphere to astrophysical observations, Astronomy & Astrophysics.
DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/201935710

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