• Judith Biernaux

Il pleut sur la planète K2-18b

Mis à jour : 25 oct. 2019

Les exoplanètes sont des mondes fascinants, en particulier pour les astrophysiciens et les biologistes qui recherchent des traces de vie extra-terrestre. L'une d'entre elles, K2-18b, se dévoile un petit peu plus grâce à une observation du télescope spatial Hubble : comme la Terre, K2-18b connaît des jours de pluie.


Une vue d'artiste de l'exoplanète K2-18b et de son étoile hôte. Image : NASA/Hubble

Note : ce post du 2/10 a été édité le 25/10 pour apporter une clarification : K2-18b se rapproche plutôt d'une mini-Neptune que d'une super-Terre (source).


Si l'on sait que la Terre tourne autour du Soleil avec ses sept voisines, on sait aussi depuis plusieurs décennies qu'il existe d'autres systèmes solaires dans la galaxie. De très nombreuses étoiles abritent également des compagnons planétaires, et on appelle "exoplanètes" ces planètes qui tournent autour d'autres étoiles que notre Soleil. La première historique d'entre elles, 51 Pegasi B, a été découverte en 1995 par Michel Mayor et Didier Queloz. Depuis, près de 5000 exoplanètes ont été découvertes, et il en existe un véritable bestiaire, de tailles, masses, compositions, orbites différentes. 


Ce 11 septembre 2019, Deux équipes, l'une anglaise et l'autre américano-canadienne, publient simultanément un article sur l'observation d'une exoplanète particulière, K2-18b. Cette exoplanète ressemble à une version musclée de la Terre, avec un diamètre deux fois plus grand et une masse huit fois plus importante. Comme notre planète, K2-18b présente une atmosphère. Cependant, son atmosphère est tellement étendue et massive que K2-18b ressemble également à une petite version de Neptune). De plus, son atmosphère contient de l'eau, non seulement sous forme de vapeur, mais aussi à des altitudes suffisamment basses pour qu'elle forme des gouttes d'eau. De la pluie, en somme !


À la chasse aux exoplanètes


Pour détecter une exoplanète, il existe une méthode particulièrement fructueuse : il s'agit d'observer un phénomène semblable à une éclipse entre une étoile et son exoplanète. On appelle transit le passage d'une exoplanète devant son étoile, du point de vue d'un observateur situé sur Terre. L'exoplanète masque alors une partie de son étoile. L'observateur ne voit pas directement le transit, mais s'il mesure la quantité de lumière reçue de l'étoile, il distingue une diminution du flux lumineux. Cette diminution permet alors de déduire la présence d'une exoplanète autour de l'étoile. Elle permet aussi de déceler quelques indices sur la planète. Par exemple, l'intervalle de temps entre deux transits correspond au temps que la planète met pour parcourir un tour complet autour de son étoile. Autre exemple, plus l'exoplanète est grande, plus elle masque une grande zone de son étoile, donc plus la diminution de flux est marquée. Ainsi, il est plus facile de détecter par transit des grosses exoplanètes, qui sont proches de leurs étoiles hôtes. K2-18b rentre pile dans cette catégorie.



Gauche : schéma d'un transit exoplanétaire. Lorsque la planète passe devant son étoile hôte, elle masque une partie de sa luminosité. Droite : transit observé pour K2-18b. Images : Institute for Astronomy-University of Hawaii / Benneke et al, 2019.

L’atmosphère comme prisme


Comment peut-on deviner les ingrédients d'une atmosphère par la méthode des transits ? Pour le comprendre, imaginons un prisme : la lumière qui le traverse ressort décomposée en toutes ses couleurs. Dans le cas d'un transit, la lumière de l'étoile traverse le gaz de l'atmosphère exoplanétaire. La lumière de l'étoile est alors filtrée, décomposée par la ce gaz. En analysant ce filtrage, on peut déduire les ingrédients du gaz de l’atmosphère. De cette manière, de nombreuses exoplanètes géantes gazeuses ont montré qu'elles abritaient de l'eau.


La manière dont le flux de l'étoile hôte de K2-18b est atténué a permis aux deux équipes d'identifier les composants chimiques de son atmosphère, y compris de la vapeur d'eau. Cette observation est très significative, et pour cause : l'eau liquide serait un ingrédient essentiel à l'apparition de la vie.


Des planètes habitables ?


L'apparition de la vie sur Terre cache encore beaucoup de mystères. Cependant, les conditions dans lesquelles la vie est apparue reposent sur certains ingrédients essentiels : de l'eau liquide, de la chaleur, et une atmosphère riche en carbone et azote. En 1953, deux chercheurs du nom de Miller et Urey mettent au point une expérience qui reproduit ces conditions, et parviennent à obtenir des molécules organiques, c'est-à-dire des briques moléculaires de cellules vivantes, comme des acides aminés ou des acides nucléiques, qu'on retrouve dans l'ADN. Pour plus de détails sur l'expérience de Miller-Urey, rendez-vous sur le poste du 9 août 2019 "Dragonfly, le drone de l'espace" sur ce blog.


Ainsi, l'eau liquide sur une exoplanète est un signal important, qui lui donne droit au titre de "planète habitable". Si une exoplanète abritant de l'eau est trop proche de son étoile, elle reçoit trop de chaleur et l'eau existerait sous forme de vapeur. Si elle en est trop éloignée, il y ferait trop froid, et on y trouverait plutôt de la glace. Il existe donc une bonne gamme de distances pour laquelle l'eau à sa surface peut être liquide. Cette gamme est baptisée "zone habitable". Les planètes habitables sont les cibles privilégiées des exobiologistes, ces chercheurs qui s'intéressent à la possibilité de vie ailleurs que sur Terre dans l'univers. Sur les 5000 exoplanètes connues, à peine moins d'une centaine rentrent dans cette catégorie. K2-18b tourne autour d'une étoile naine, faible, mais elle est beaucoup plus proche de son étoile que la Terre n'est proche du Soleil. Ainsi, elle reçoit une quantité d'énergie similaire à ce que la Terre reçoit du Soleil, et sa gamme de température est à peu près équivalente à la nôtre : elle peut abriter de l'eau liquide.



Les bandes vertes représentent les zones habitables autour du Soleil (partie inférieure) et de l'étoile TRAPPIST-1 (partie supérieure). Image : NASA/JPL/CALTECH

Méfiance toutefois : le vocable "habitable" est peut-être un peu trompeur. D'une part, il convient de ne pas confondre habitable et habité. Ce n'est pas parce qu'on dispose des ingrédients d'une recette que le travail est fini. De la même manière, la simple présence d'eau liquide sur une exoplanète ne signifie pas qu'elle abrite de la vie, même microbienne. Il s'agit d'une condition nécessaire, mais pas suffisante. D'autres critères d'habitabilité contribuent à classer ces planètes, comme par exemple la pression. Dans le cas de K2-18b, vu la taille et la masse de son atmosphère, la pression à sa surface pourrait y atteindre des milliers de fois celle de la Terre, et la température y être donc beaucoup plus élevée, trop élevée pour de l'eau liquide. Attention donc aux raccourcis.


D'autre part, la seule planète sur laquelle la vie est apparue avec certitude, c'est la nôtre. Ainsi, pour être qualifiée d'habitable, on a décidé qu'une planète devait ressembler à la Terre. Rien n'interdit à d'autres formes de biochimies, d'autres formes de vie, d'exister et de se baser sur différentes conditions initiales. Des exoplanètes bien différentes de la Terre pourraient être le théâtre de ces potentielles formes de vie. Mais, puisqu'il faut bien chercher quelque chose, il est judicieux de commencer par ce qu'on connaît, à savoir notre propre biochimie. En ce qui concerne la vie terrienne, son apparition sur base de molécules non-vivantes n'a jamais pu être observée en laboratoire, ou reproduite par une expérience, même celle de Miller-Urey. Le passage de molécules à organisme vivant est encore inconnu. L'observer sur une exoplanète serait alors une mine infiniment précieuse de renseignements sur nos propres origines.


Si détecter des exoplanètes devient de plus en plus commun, les caractériser reste un jeu beaucoup moins facile à gagner. Leur distance et leur faible brillance les rendent difficiles à étudier. Celles qui sont pourvues d'une atmosphère peuvent parfois être caractérisées par la même méthode que K2-18b, à l'aide de la lumière de leurs étoiles hôtes. Cette technique s'appelle la spectroscopie, et est à l'heure actuelle le meilleur moyen d'obtenir des renseignements sur la composition chimique d'une exoplanète, ou du moins, de son atmosphère. K2-18b est la plus petite planète pour laquelle une atmosphère a pu être détectée : petit à petit, on entrevoit la possibilité d'observer les atmosphères de petites planètes telluriques (solides). Dans le futur, des observations plus fines seront mises en place pour lever encore un peu plus le voile sur ces mondes extra-terrestres.


Les télescopes du futur


Parmi les nombreuses exoplanètes connues, beaucoup ont des masses bien supérieures à celle de la Terre. En effet, il est plus facile de détecter une grosse exoplanète qu'une petite. C'est ce qu'on appelle un biais observationnel. L'effort des prochaines décennies d'exoplanétologie sera orienté vers la détection de planètes de faible masse, voire même de masse terrestre.


La spectroscopie des atmosphères exoplanétaires repose sur des télescopes spatiaux, c'est-à-dire des télescopes placés dans l'espace, en orbite autour de la Terre. Dans le cas de K2-18b, c'est le télescope spatial Hubble et le télescope infra-rouge Spitzer, deux instruments majoritairement américains, que l'on peut remercier. En 2009, la NASA lance un troisième télescope spatial, Kepler, expressément dans le but de détecter des exoplanètes. Sur les 5000 exoplanètes connues, plus de la moitié ont été découvertes par Kepler.


L'Agence Spatiale Européenne (ESA) n'est pas en reste, notamment avec CHEOPS, un petit télescope spatial dont le lancement est prévu avant la fin 2019. Son objectif n'est pas de détecter de nouvelles exoplanètes, mais bien de mieux comprendre celles que l'on connaît déjà, en mesurant précisément leurs masses et tailles. Les futures missions PLATO et ECHO, en développement à l'ESA, s'intéresseront à la spectroscopie des atmosphères exoplanétaires. PLATO identifiera les meilleures cibles pour cette technique, et ECHO en étudiera les propriétés atmosphériques.


Enfin, la Belgique n'a pas à rougir en termes d'exoplanétologie, notamment grâce au projet TRAPPIST. Cet acronyme bien choisi signifie TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope. Ce projet piloté notamment par un groupe de l'Université de Liège compte deux télescope, l'un situé au Chili et l'autre au Maroc. TRAPPIST est notamment célèbre pour avoir découvert un système de sept exoplanètes gravitant autour d'une étoile proche, TRAPPIST-1, dont trois se trouvent dans la zone habitable.



Les auteurs des deux articles simultanés sur K2-18b mentionnent également le besoin d'observations de suivi, et évoquent le James Webb Space Telescope (JWST). Fruit d'une collaboration entre les agences spatiales américaine, européenne et canadienne, le JWST est souvent qualifié de successeur du Hubble Space Telescope. Avec son miroir environ trois fois plus gros, il permettra d'observer des objets plus lointains. Dans l'espace, plus un objet est lointain, plus sa lumière est décalée vers l'infra-rouge, et c'est dans ces domaines-là que le JWST permettra de belles avancées. Ce sont précisément ces longueurs d'onde qui sont aussi pertinentes pour détecter des signatures spectrales de molécules organiques dans l'atmosphère d'exoplanètes, comme l'eau, le méthane ou le dioxyde de carbone. Son lancement est prévu pour mars 2021.


Une équipe de la NASA pose devant un modèle à taille réelle du futur James Webb Space Telescope. Image : NASA/Goddard Space Flight Center

Grâce au JWST, à Kepler, Spitzer et aux autres chasseurs d'exoplanètes, l'une des plus grandes questions scientifiques de l'époque avance à petits pas : comment la vie sur Terre est-elle apparue ? Comment, sur la jeune planète Terre, les bonnes conditions physico-chimiques ont-elles pu faire apparaître les premiers êtres vivants il y a 3.5 milliards d'années ? Ces conditions favorables sont-elles répétables ailleurs ?  Plus intéressant encore : sont-elles déjà apparues ailleurs ?



Sources

Communiqué de presse du journal Nature


Tsiaras, A. et al, 2019, Water vapour in the atmosphere of the habitable-zone eight-Earth-mass planet K2-18 b, Nature Astronomy, doi: 10.1038/d41586-019-02721-2


Benneke, B. et al, 2019 : Water Vapor on the Habitable-Zone Exoplanet K2-18b, arXiv:1909.04642v1.


Catalogue en ligne d’exoplanètes de l’ESEP

Catalogue d’exoplanètes habitables du PHL

Page Web de l’ESA sur PLATO

Page Web de l’ESA sur ECHO

Site Web du projet Trappist

Site Web du télescope Spitzer

Site Web du Hubble Space Telescope

Site Web du James Webb Space Telescope

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