Deux exoplanètes composées d’eau…

Deux exoplanètes pourraient être composées en grande partie d’eau, selon Hubble et Spitzer de la NASA

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Le 15 décembre 2022

Dans cette illustration, l’exoplanète Kepler-138 d est au premier plan et Kepler-138 c est à gauche. À l’arrière-plan, Kepler 138 b passe devant son étoile mère. Les faibles densités de Kepler-138 c et Kepler-138 d indiquent qu’elles doivent être composées en grande partie d’eau. Credit: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

Bien que les télescopes ne puissent pas observer directement les surfaces des planètes, leur densité indique qu’elles sont plus légères que les mondes rocheux mais plus lourdes que les mondes dominés par les gaz.

Une équipe dirigée par des chercheurs de l’Université de Montréal a trouvé des preuves que deux exoplanètes orbitant autour d’une étoile naine rouge sont des « mondes d’eau« , où l’eau constitue une grande fraction de la planète entière. Ces mondes, situés dans un système planétaire à 218 années-lumière dans la constellation de la Lyre, sont différents de toutes les planètes trouvées dans notre système solaire.

L’équipe, dirigée par Caroline Piaulet de l’Institut de recherche sur les exoplanètes (iREx) de l’Université de Montréal, a publié aujourd’hui une étude détaillée de ce système planétaire, connu sous le nom de Kepler-138, dans la revue Nature Astronomy.

Piaulet et ses collègues ont observé les exoplanètes Kepler-138c et Kepler-138d avec le télescope spatial Hubble de la NASA et le télescope spatial Spitzer, aujourd’hui retiré, et ont découvert que les planètes pourraient être composées en grande partie d’eau. Ces deux planètes et un compagnon planétaire plus petit, plus proche de l’étoile, Kepler-138b, avaient déjà été découverts par le télescope spatial Kepler de la NASA. La nouvelle étude a également trouvé des preuves de l’existence d’une quatrième planète.

De l’eau n’a pas été directement détectée sur Kepler-138c et d, mais en comparant la taille et la masse des planètes à des modèles, les astronomes ont conclu qu’une fraction significative de leur volume – jusqu’à la moitié – devrait être constituée de matériaux plus légers que la roche mais plus lourds que l’hydrogène ou l’hélium (qui constituent l’essentiel des planètes géantes gazeuses comme Jupiter). Le plus courant de ces matériaux candidats est l’eau.

« Nous pensions auparavant que les planètes un peu plus grandes que la Terre étaient de grosses boules de métal et de roche, comme des versions améliorées de la Terre, et c’est pourquoi nous les avons appelées super-Terres« , explique Björn Benneke, co-auteur de l’étude et professeur d’astrophysique à l’Université de Montréal. « Cependant, nous avons maintenant montré que ces deux planètes, Kepler-138c et d, sont de nature très différente et qu’une grande fraction de leur volume total est probablement composée d’eau. C’est la meilleure preuve à ce jour de l’existence de mondes d’eau, un type de planète dont les astronomes ont théorisé l’existence pendant longtemps. »

 Cette illustration montre des coupes transversales de la Terre et de l’exoplanète Kepler-138d. Les mesures de la densité de Kepler-138d suggèrent qu’elle pourrait avoir une couche d’eau qui représente plus de 50 % de son volume, à une profondeur d’environ 2 000 kilomètres (1 243 miles). Crédit : Benoit Gougeon (University of Montreal)

Avec des volumes plus de trois fois supérieurs à celui de la Terre et des masses deux fois plus grandes, les planètes c et d ont des densités beaucoup plus faibles que la Terre. C’est surprenant car la plupart des planètes à peine plus grosses que la Terre qui ont été étudiées en détail jusqu’à présent semblaient toutes être des mondes rocheux comme le nôtre. La comparaison la plus proche, selon les chercheurs, serait certaines des lunes glacées du système solaire externe qui sont également composées en grande partie d’eau entourant un noyau rocheux.

« Imaginez des versions plus grandes d’Europe ou d’Encelade, les lunes riches en eau qui orbitent autour de Jupiter et de Saturne, mais amenées beaucoup plus près de leur étoile », a expliqué Piaulet. « Au lieu d’une surface glacée, elles abriteraient de grandes enveloppes de vapeur d’eau« .

Les chercheurs préviennent que les planètes pourraient ne pas avoir d’océans comme ceux de la Terre directement à la surface de la planète. « La température dans l’atmosphère de Kepler-138d est probablement supérieure au point d’ébullition de l’eau, et nous nous attendons à une atmosphère épaisse et dense faite de vapeur sur cette planète. Seulement, sous cette atmosphère de vapeur, il pourrait potentiellement y avoir de l’eau liquide à haute pression, ou même de l’eau dans une autre phase qui se produit à haute pression, appelée fluide supercritique« , a déclaré Piaulet.

En 2014, les données du télescope spatial Kepler de la NASA ont permis aux astronomes d’annoncer la détection de trois planètes en orbite autour de Kepler-138. Cette annonce était basée sur une baisse mesurable de la lumière des étoiles lorsque la planète passait momentanément devant leur étoile.

M. Benneke et sa collègue Diana Dragomir, de l’université du Nouveau-Mexique, ont eu l’idée de réobserver le système planétaire à l’aide des télescopes spatiaux Hubble et Spitzer entre 2014 et 2016 afin de capter davantage de transits de Kepler-138d, la troisième planète du système, pour étudier son atmosphère.

Une nouvelle exoplanète dans le système

Les deux mondes d’eau possibles, Kepler-138c et d, ne sont pas situés dans la zone habitable, la zone autour d’une étoile où les températures permettraient la présence d’eau liquide à la surface d’une planète rocheuse. Mais dans les données de Hubble et de Spitzer, les chercheurs ont en outre trouvé des preuves de la présence d’une nouvelle planète dans le système, Kepler-138e, dans la zone habitable.

Cette planète nouvellement découverte est petite et plus éloignée de son étoile que les trois autres, puisqu’il lui faut 38 jours pour compléter une orbite. La nature de cette planète supplémentaire reste cependant une question ouverte car elle ne semble pas transiter par son étoile hôte. L’observation du transit de l’exoplanète aurait permis aux astronomes de déterminer sa taille.

Avec Kepler-138e maintenant dans le tableau, les masses des planètes précédemment connues ont été mesurées à nouveau par la méthode de la variation du temps de transit, qui consiste à suivre les petites variations dans les moments précis des transits des planètes devant leur étoile, causées par la traction gravitationnelle d’autres planètes proches.

Les chercheurs ont eu une autre surprise : Ils ont découvert que les deux mondes d’eau Kepler-138c et sont des planètes « jumelles », avec pratiquement la même taille et la même masse, alors qu’on pensait auparavant qu’elles étaient radicalement différentes. En revanche, la planète la plus proche, Kepler-138b, est confirmée comme étant une petite planète de masse martienne, l’une des plus petites exoplanètes connues à ce jour.

« À mesure que nos instruments et nos techniques deviennent suffisamment sensibles pour trouver et étudier des planètes plus éloignées de leur étoile, nous pourrions commencer à trouver beaucoup plus de ces mondes aquatiques« , a conclu M. Benneke.

En savoir plus sur la mission

L’ensemble des données scientifiques recueillies par Spitzer pendant sa durée de vie est accessible au public via les archives de données Spitzer, conservées dans les archives scientifiques infrarouges de l’IPAC à Caltech, à Pasadena, en Californie. Le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, une division de Caltech, a géré les opérations de la mission Spitzer pour le Science Mission Directorate de l’agence à Washington. Les opérations scientifiques ont été menées au Spitzer Science Center à l’IPAC de Caltech. Les opérations du vaisseau spatial étaient basées chez Lockheed Martin Space à Littleton, dans le Colorado.

Pour plus d’informations sur la mission Spitzer de la NASA, consultez le site :

https://www.jpl.nasa.gov/missions/spitzer-space-telescope

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