La planète qui rétrécit
« Mais où sont passés les Neptunes chaudes ? » C’est la question que se posent depuis longtemps les astronomes, face à l’absence mystérieuse de planètes de la taille de Neptunes très proches de leur étoile. Une équipe de chercheurs, dirigée par des astronomes de l’Université de Genève, vient de découvrir qu’une de ces planètes perd son atmosphère à un rythme effréné. Cette observation renforce la théorie selon laquelle les Neptunes chaudes ont perdu une grande partie de leur atmosphère et se sont transformées en de plus petites planètes.
Ce graphique montre les exoplanètes en fonction de leur taille et de leur distance à leur étoile. Chaque point représente une planète. Celles de la taille de Neptune (au milieu du graphique) sont peu nombreuses à proximité de leur étoile. C’est le fameux désert de Neptunes chauds. Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)
Les pêcheurs seraient perplexes s’ils ne capturaient que de gros et de petits poissons, mais peu de poissons de taille moyenne. C’est à peu de choses près ce qui arrive aux astronomes chasseurs d’exoplanètes. Ils ont en effet trouvé un grand nombre de planètes chaudes de la taille de Jupiter et un peu plus grosses que la Terre (des super-Terres), mais pas de planètes proche de leur étoile de la taille de Neptune. Ce mystérieux « désert» de Neptunes chaudes suggère que ces mondes sont rares, ou qu’ils étaient abondants par le passé mais ont depuis disparu.
Il y a quelques années, des astronomes de l’UNIGE utilisant le télescope spatial Hubble de la NASA ont découvert que l’atmosphère de la Neptune tiède GJ 436b, située en bordure du désert, perdait de l’hydrogène. Cette perte n’est pas suffisante pour menacer l’atmosphère de GJ 436b, mais suggérait que des Neptunes recevant plus d’énergie de leur étoile pourraient évoluer plus dramatiquement. C’est ce que viennent de confirmer ces mêmes astronomes, membres du pôle de recherche national PlanetS. Ils ont observé avec Hubble qu’une autre Neptune tiède au bord du désert, GJ 3470b, perd son hydrogène 100 fois rapidement que GJ 436b. Les deux planètes résident à environ 3,7 millions de kilomètres de leur étoile, soit un dixième de la distance entre Mercure et le Soleil, mais l’étoile de GJ 3470b est bien plus jeune et énergétique. « C’est la première fois que l’on observe une planète perdre son atmosphère si vite que cela peut impacter son évolution » déclare Vincent Bourrier, premier auteur de l’étude membre du projet européen FOUR ACES. L’équipe estime que GJ 3470b aurait déjà perdu plus d’un tiers de sa masse.
« Jusqu’à maintenant nous n’étions pas sûrs du rôle qu’a joué l’évaporation des atmosphères dans la formation du désert. » déclare Vincent Bourrier. La découverte de plusieurs Neptunes tièdes en bordure du désert qui perdent leur atmosphère renforce l’idée que la version plus chaude de ces planètes est éphémère. Les Neptunes chaudes auraient ainsi rétréci pour devenir des mini-Neptunes, ou se seraient même érodées complètement pour ne laisser que leur coeur rocheux. « Cela pourrait expliquer l’abondance de super-Terres chaudes qui a été découverte », explique David Ehrenreich, professeur associé au département d’astronomie de l’UNIGE et co-auteur de l’étude.
Observer l’évaporation de deux Neptune tièdes est encourageant, mais les membres de l’équipe savent qu’ils doivent en observer davantage pour confirmer leurs prédictions. Malheureusement l’hydrogène qui s’échappe de ces planètes ne peut pas être détecté si celles-ci se trouvent à plus de 150 années-lumière de la Terre (GJ 3470b se trouve à 97 années-lumière), car l’hydrogène est alors caché par le gaz interstellaire. Les chercheurs prévoient donc d’utiliser Hubble pour chercher d’autres traces d’échappement atmosphérique, car l’hydrogène pourrait entraîner avec lui des éléments plus lourds tels que le carbone. La solution pourrait aussi venir de l’hélium, dont le rayonnement dans l’infrarouge n’est pas bloqué par le milieu interstellaire. « L’hélium nous permettra d’élargir la portée de nos relevés » estime Vincent Bourrier, « la sensibilité élevée du télescope spatial James Webb devrait nous permettre de détecter l’hélium qui s’échappe des petites planètes, comme les mini-Neptunes, et de compléter nos observations de la bordure du désert ».
Cette vue d’artiste montre un nuage d’hydrogène géant s’échappant d’une chaude planète de la taille de Neptune, à seulement 97 années-lumière de la Terre. Cette exoplanète est petite en comparaison de son étoile, une naine rouge du nom de GJ 3470. L’intense rayonnement de l’étoile surchauffe l’hydrogène dans la haute atmosphère de la planète, à tel point qu’il s’échappe dans l’espace. Ce monde alien perd son hydrogène 100 fois plus rapidement que les précédentes Neptunes chaudes dont l’atmosphère s’évapore également.
Credits: NASA, ESA, and D. Player (STScI)
FOUR ACES, Future of Upper Atmospheric Characterisation of Exoplanets with Spectroscopy, est un projet financé par une bourse Consolidator du Conseil européen pour la Recherche (ERC) dans le cadre du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de la Commission européenne (bourse n°724427).
V. Bourrier, A. Lecavelier des Etangs, D. Ehrenreich, J. Sanz-Forcada, R. Allart, G. E. Ballester, L. A. Buchhave, O. Cohen, D. Deming, T. M. Evans, A. García Muñoz, G. W. Henry, T. Kataria, P. Lavvas, N. Lewis, M. López-Morales, M. Marley, D. K. Sing and H. R. Wakeford: “Hubble PanCET: an extended upper atmosphere of neutral hydrogen around the warm Neptune GJ 3470b”, Astronomy & Astrophysics, 2018
https://doi.org/10.1051/0004-6361/201833675
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