Une nouvelle observation menée avec le télescope spatial James Webb sur K2-18 b, une exoplanète 8,6 fois plus massive que la Terre, a révélé la présence de molécules contenant du carbone, notamment du méthane et du dioxyde de carbone. La découverte de Webb s’ajoute à des études récentes suggérant que K2-18 b pourrait être une exoplanète hycéenne, susceptible de posséder une atmosphère riche en hydrogène et une surface recouverte d’eau et d’océan.
Les premiers aperçus des propriétés atmosphériques de cette exoplanète pouvant potentiellement abriter la vie sont venus d’observations réalisées avec le télescope spatial Hubble. Des nouvelles études ont depuis modifié notre compréhension du système.
K2-18 b orbite autour de l'étoile naine froide K2-18 et se trouve à 120 années-lumière de la Terre dans la constellation du Lion. Les exoplanètes telles que K2-18 b, dont la taille se situe entre celles de la Terre et de Neptune, ne ressemblent à rien de ce qui existe dans notre système solaire. Cette absence de planètes proches équivalentes signifie que ces « sous-Neptunes » sont mal comprises et la nature de leurs atmosphères fait l’objet d’un débat actif parmi les astronomes.
La suggestion selon laquelle la sous-Neptune K2-18 b pourrait être une exoplanète hycéenne est intrigante, car certains astronomes pensent que ces mondes sont des environnements prometteurs pour rechercher des preuves de la vie sur les exoplanètes.
"Nos résultats soulignent l'importance de prendre en compte la diversité des environnements habitables dans la recherche de la vie ailleurs", a expliqué Nikku Madhusudhan, astronome à l'Université de Cambridge et auteur principal de l'article annonçant ces résultats. "Traditionnellement, la recherche de vie sur les exoplanètes s'est concentrée principalement sur les planètes rocheuses plus petites, mais les mondes hycéens plus grands sont nettement plus propices aux observations atmosphériques."
L'abondance de méthane et de dioxyde de carbone, ainsi que la pénurie d'ammoniac, confortent l'hypothèse selon laquelle il pourrait y avoir un océan d'eau sous une atmosphère riche en hydrogène sur K2-18 b. Ces premières observations de Webb ont également permis de détecter une molécule appelée sulfure de diméthyle (DMS). Sur Terre, elle n’est produit que par la vie. La majeure partie du DMS présent dans l’atmosphère terrestre est émise par le phytoplancton des environnements marins.
Le graphique montre les spectres de Webb de l'exoplanète K2-18 b. Les colonnes verticales magenta, rouge et verte sur le tracé indiquent les signatures du méthane, du dioxyde de carbone et du sulfure de diméthyle. Derrière le graphique se trouve une illustration de la planète et de son étoile.
Les spectres de K2-18 b, obtenus avec le NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) et le NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) de Webb, montrent une abondance de méthane et de dioxyde de carbone dans l'atmosphère de l'exoplanète, ainsi qu'une possible détection d'un molécule appelée sulfure de diméthyle (DMS). La détection de méthane et de dioxyde de carbone, ainsi que la pénurie d'ammoniac, confortent l'hypothèse selon laquelle il pourrait y avoir un océan d'eau sous une atmosphère riche en hydrogène dans K2-18 b. K2-18 b, 8,6 fois plus massive que la Terre, orbite autour de l'étoile naine froide K2-18 dans la zone habitable et se trouve à 120 années-lumière de la Terre.
Crédits : Illustration : NASA, CSA, ESA, R. Crawford (STScI), J. Olmsted (STScI), Science : N. Madhusudhan (Cambridge University)
L'inférence du DMS est moins robuste et nécessite une validation plus approfondie. "Les prochaines observations de Webb devraient pouvoir confirmer si le DMS est effectivement présent dans l'atmosphère de K2-18 b à des niveaux significatifs", a expliqué Madhusudhan.
Même si K2-18 b se situe dans la zone habitable et est désormais connu pour héberger des molécules carbonées, cela ne signifie pas nécessairement que la planète peut abriter la vie. La grande taille de la planète – avec un rayon 2,6 fois supérieur à celui de la Terre – signifie que l’intérieur de la planète contient probablement un vaste manteau de glace à haute pression, comme Neptune, mais avec une atmosphère plus fine, riche en hydrogène et une surface océanique.
Les mondes hycéens devraient avoir des océans d’eau. Cependant, il est également possible que l’océan soit trop chaud pour être habitable ou être liquide. "Bien que ce type de planète n'existe pas dans notre système solaire, les planètes sub-Neptunes sont le type de planète le plus courant connu jusqu'à présent dans la galaxie", a expliqué Subhajit Sarkar, membre de l'équipe de l'Université de Cardiff. "Nous avons obtenu à ce jour le spectre le plus détaillé d'une zone habitable sous-Neptune, ce qui nous a permis de déterminer les molécules qui existent dans son atmosphère."
Caractériser l’atmosphère des exoplanètes comme K2-18 b – c’est-à-dire identifier leurs gaz et leurs conditions physiques – est un domaine très actif en astronomie. Cependant, ces planètes sont littéralement éclipsées par l’éclat de leurs étoiles mères beaucoup plus grandes, ce qui rend l’exploration des atmosphères des exoplanètes particulièrement difficile.
L'équipe a contourné ce défi en analysant la lumière de l'étoile mère de K2-18 b alors qu'elle traversait l'atmosphère de l'exoplanète. K2-18 b est une exoplanète en transit, ce qui signifie que nous pouvons détecter une baisse de luminosité lors de son passage devant la face de son étoile hôte. C’est ainsi que l’exoplanète a été découverte pour la première fois en 2015 avec la mission K2 de la NASA.
Cela signifie que lors des transits, une infime fraction de la lumière des étoiles traversera l'atmosphère de l'exoplanète avant d'atteindre des télescopes comme Webb. Le passage de la lumière des étoiles à travers l’atmosphère de l’exoplanète laisse des traces que les astronomes peuvent reconstituer pour déterminer les gaz de l’atmosphère de l’exoplanète. "Ce résultat n'a été possible que grâce à la gamme de longueurs d'onde étendue et à la sensibilité sans précédent de Webb, qui ont permis une détection robuste des caractéristiques spectrales avec seulement deux transits", a déclaré Madhusudhan. "À titre de comparaison, une observation de transit avec Webb a fourni une précision comparable à huit observations avec Hubble réalisées sur quelques années et dans une plage de longueurs d'onde relativement étroite." "Ces résultats sont le produit de seulement deux observations de K2-18 b, et bien d'autres sont en cours", a expliqué Savvas Constantinou, membre de l'équipe de l'Université de Cambridge. "Cela signifie que notre travail ici n'est qu'une première démonstration de ce que Webb peut observer dans les exoplanètes en zone habitable.
Les résultats de l’équipe ont été acceptés pour publication dans The Astrophysical Journal Letters. L'équipe a maintenant l'intention de mener des recherches de suivi avec le spectrographe MIRI (Mid-Infrared Instrument) du télescope qui, espère-t-elle, valideront davantage leurs résultats et fourniront de nouvelles informations sur les conditions environnementales sur K2-18 b. "Notre objectif ultime est l'identification de la vie sur une exoplanète habitable, ce qui transformerait notre compréhension de notre place dans l'univers", a conclu Madhusudhan. "Nos découvertes constituent une étape prometteuse vers une compréhension plus profonde des mondes hycéens dans cette quête."
Quelques précisions :
Exoplanète hycéenne : Des scientifiques de Cambridge ont inventé, le mardi 24 août 2021, une nouvelle famille d’exoplanètes – baptisées "hycéennes" – qui pourraient multiplier les chances de trouver d’autres planètes habitables dans l’univers : une planète "hycéenne" serait recouverte d'eau, dotée d'une atmosphère gorgée d'hydrogène et la température sur sa surface serait dans la limite de ce qui est considéré comme acceptable sur Terre pour des formes de vie. Un postulat qui ne satisfait pas tout le monde dans le milieu scientifique.
K2-18b, exoplanète de la discorde initiée par Nikku Madhusudhan : Les conclusions des chercheurs de Cambridge en 2021 étaient loin de faire l'unanimité quant à l'habitabilité de cette exoplanète. "On ne sait pas si des planètes telles que décrites par les équipes de Nikku Madhusudhan existent réellement. Pour l'instant, c'est purement théorique", affirme Martin Turbet, astrophysicien à l'observatoire astronomique de Genève. Tout l'imbroglio scientifique remonte au point de départ de l'hypothèse des planètes "hycéennes" habitables. Il s'agit d'une exoplanète baptisée K2-18b, située à environ 124 années-lumière de la Terre. L'équipe de Nikku Madhusudhan estime que cette mini-Neptune pourrait bien présenter toutes les conditions requises : de grandes quantités d'eau, une atmosphère riche en hydrogène et une température acceptable pour la vie à sa surface. K2-18b devient alors la mère de la famille des planètes "hycéennes". "À partir de nos recherches sur K2-18b, nous avons établi un modèle qui nous a permis de calculer les conditions nécessaires pour que des planètes avec une atmosphère riche en hydrogène puissent être habitables", explique le scientifique de Cambridge. Sauf que Nikku Madhusudhan est un peu seul à trouver que K2-18b pourrait être habitable. "Nous n'avons jamais réussi à reproduire les calculs qui lui ont permis d'arriver à sa conclusion", affirme Jérémy Leconte, astrophysicien à l'université de Bordeaux. Des autres scientifiques ont également confirmé avoir des doutes sur le modèle utilisé par le chercheur de Cambridge.
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