Pendant presque deux siècles, environ de Kepler et Newton à Joseph Fraunhofer et Gustav Kirchhoff, l'astronomie s'identifiait avec la mécanique céleste et il n'existait pas à proprement parler d'astrophysique. Les scientifiques s'en tenaient à déterminer la figure et le mouvement des astres -- pour reprendre une expression de Descartes --, c'est-à-dire à dresser et calculer des éphémérides des mouvements des planètes, à déterminer leurs distances et leurs masses, ainsi qu'à dresser des cartes des objets et étoilesétoiles observés avec des télescopestélescopes et des lunettes.

Il ne s'agissait nullement de déterminer des températures, des champs magnétiqueschamps magnétiques et encore moins des compositions chimiques ; le philosophe français Auguste ComteAuguste Comte pensait qu'il était futile de s'interroger sur la composition du SoleilSoleil et des étoiles et bien sûr, des planètes, convaincu qu'il était que nous n'aurions jamais les moyens d'aller prélever des échantillons sur place pour les analyser en laboratoire sur Terre. La découverte de la spectroscopie allait donner tort à Auguste Comte et les missions Apollo, StardustStardust et Genesis encore plus.

Aujourd'hui, nous ne faisons encore largement que de l'astronomie avec les exoplanètesexoplanètes et il nous tarde de faire véritablement de l'astrophysique, c'est-à-dire de faire des analyses détaillées et solidessolides de la composition des atmosphèresatmosphères de celles qui en possèdent, en particulier s'il s'agit d'exoterresexoterres habitables où l'on aimerait bien découvrir des biosignatures. Il a déjà été possible de faire quelques déterminations du contenu des atmosphères des géantes gazeusesgéantes gazeuses comme celle de l'exoplanète HD 209458b, parfois appelée Osiris.

Dans ce dernier cas, il s'agit d'un Jupiter chaudJupiter chaud, donc impropre à l'existence de formes de vie telles que nous les connaissons mais l'étude de la composition des atmosphères de ces exoplanètes devrait, de toute façon, être riche en enseignement pour les sciences planétaires.

Des expériences sur Terre pour interpréter les observations ailleurs

Pour interpréter correctement les données déjà glanées avec les instruments existants mais, surtout avec la nouvelle génération qui va arriver -- à savoir avec les télescopes James Webb et l'E-ELTE-ELT (European Extremely Large Telescope) --,  il est important de pouvoir les comparer avec des mesures faites sur Terre. Ainsi, c'est parce que les spectresspectres des certains éléments et certaines moléculesmolécules avaient été mesurés en laboratoire que leur présence a pu être démontrée ailleurs, dans et autour des étoiles, jusqu'à l'intérieur des nuages interstellairesnuages interstellaires.

Cette stratégie est bien illustrée dans the Astrophysical Journal avec la publication récente des résultats de recherches menées au Jet Propulsion LaboratoryJet Propulsion Laboratory par Benjamin Fleury et ses collègues.

Les chercheurs se sont donné comme but de reconstituer la composition chimique et les réactions principales dans la haute atmosphère des Jupiters chauds typiques. Pour cela, ils ont constitué un mélange d'hydrogènehydrogène moléculaire (H₂) et de monoxyde de carbonemonoxyde de carbone CO (0,3 %). Tout comme dans le cas de la composition de l'atmosphère de Jupiter et des nuages moléculaires froids où naissent les étoiles et leurs cortèges planétaires, l'hydrogène est le composant largement dominant. On trouve aussi une fraction notable d'héliumhélium mais comme il s'agit d'un élément largement inerte (sauf dans des conditions extrêmes), il n'était pas nécessaire de l'introduire dans le réacteur où le mélange des deux molécules a été porté à des températures comprises entre environ 330 et 1.230 °C.

Clé de l'apparition de certaines des réactions chimiquesréactions chimiques observées, le mélange chaud a aussi été soumis à l'équivalent du rayonnement ultravioletultraviolet des étoiles avec des Jupiters chauds en orbiteorbite rapprochée -- les périodes orbitalespériodes orbitales étant inférieures généralement à 10 jours contre les 88 jours de la période de MercureMercure avec sa température de surface de 430 °C, si on veut prendre une comparaison avec le Système solaireSystème solaire.

Les scientifiques du JPL ont utilisé un « four » (au centre) pour chauffer un mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone et le soumettre à un rayonnement ultraviolet généré par une lampe à décharge. La lampe émet une lumière visible (la lueur rose) et une lumière UV, qui pénètrent dans le réservoir de gaz à l'intérieur du four par une fenêtre du côté droit. © Nasa/JPL-Caltech

La clé de l'énigme de l'opacité des Jupiters chauds ?

Les conditions de l'expérience ont alors conduit à deux résultats majeurs. Il y a d'abord eu la découverte de la formation inattendue de molécules d'eau et de dioxyde de carbonedioxyde de carbone (CO₂). Qu'il existe de la vapeur d'eau dans les atmosphères de certains Jupiters chauds était un fait déjà connu mais on n'attendait l'apparition in situ de cette molécule qu'avec la présence de dioxyde et pas de monoxyde de carbone. La quantité de CO₂ produite s'est avérée aussi, et toujours grâce à la présence du rayonnement UV, plus importante que prédite. Ce que Mark Swain, spécialiste des exoplanètes au JPL et co-auteur de l'étude, a commenté en ces termes : « Ces nouveaux résultats sont immédiatement utiles pour interpréter ce que nous voyons dans les atmosphères des Jupiters chauds. Nous avons supposé que la température dominait la chimiechimie dans ces atmosphères, mais cela montre que nous devons examiner le rôle que joue le rayonnement ».

Le second résultat concerne la formation de particules solides carbonées et, c'est là aussi une surprise. Cela permet de revoir l'interprétation, d'ailleurs problématique, des observations signalant la présence de nuages en hautes altitudes dans l'atmosphère des Jupiters chauds. Le fait brut était la présence d'une certaine opacité dans ces couches hautes mais les très basses pressionspressions pouvant y régner n'étaient pas compatibles avec l'existence de nuages. Les particules solides découvertes pourraient être la bonne solution à cette énigme.

Pour Benjamin Fleury, « ce résultat modifie la façon dont nous interprétons les atmosphères brumeuses des Jupiters chauds. À l'avenir, nous voulons étudier les propriétés de ces aérosolsaérosols. Nous voulons mieux comprendre comment ils se forment, comment ils absorbent la lumièrelumière et comment ils réagissent aux changements de l'environnement. Toutes ces informations peuvent aider les astrophysiciensastrophysiciens à comprendre ce qu'ils voient lorsque ils observent ces planètes ».

L’atmosphère des superterres et des mini-Neptune recréée pour la première fois

Article de Floriane Boyer publié le 15/03/2018

Encore un pas en avant dans la recherche d'autres mondes habitables. Des chercheurs ont recréé en laboratoire l'atmosphère des exoplanètes les plus communes de notre galaxiegalaxie, les superterressuperterres et les mini-NeptuneNeptune. C'est une première, qui permettra peut-être aux astronomesastronomes de percer les secrets que ces planètes garderaient bien cachées sous d'épaisses couches brumeuses.

Les prochaines générations de télescopes, comme le télescope spatial James-Webbtélescope spatial James-Webb, permettront certainement de déterminer par spectroscopie la composition atmosphérique de certaines exoplanètes, mais d'autres leur donneront encore plus de fil à retordre, car elles parviendraient à déjouer les télescopes en s'enveloppant sous un manteaumanteau de brumebrume. Ces brumes sont des couches constituées de particules solides provenant de réactions photochimiques, induites notamment par les rayonnements ultraviolets, qui restent en suspension dans la haute atmosphère.

Les brumes modifient le rayonnement réfléchi par la planète et soustraient les couches atmosphériques inférieures à la vue des télescopes, rendant ces dernières indétectables par analyse spectrale. Elles créeraient donc des biais dans la détermination de la composition chimique des atmosphères des exoplanètes. Elles existeraient en particulier sur les superterres et les mini-Neptune, à savoir de petites planètes gazeusesplanètes gazeuses avec un cœur rocheux.

Des chercheurs de l'université Johns Hopkins (JHU), dans le Maryland, États-Unis, ont voulu éclaircir cette affaire. Ils ont tenté de répondre à deux questions : des brumes photochimiques peuvent-elles se former sur ces planètes et, dans ce cas, quelle influence ont-elles sur leur habitabilité ? Faute d'avoir des superterres et des mini-Neptune à portée de main, puisqu'il n'y en a pas dans le Système solaire, Sarah Hörst et ses collègues ont créé pour la première fois en laboratoire neuf modèles atmosphériques d'exoplanètes hypothétiques, sous forme de mélanges gazeux.

Les chercheurs manipulent les échantillons d’atmosphère dans ce que l’on appelle des boîtes à gants de laboratoire placées sous azote, pour éviter une contamination par l’air ambiant. © Will Kirk, JHU

À la clé, des résultats intéressants, publiés dans Nature Astronomy : les exoplanètes type superterres ou mini-Neptune pourraient effectivement posséder des brumes produites par photochimie. Ces couches protectrices modifieraient les températures atmosphériques, par exemple en emprisonnant la chaleurchaleur, et empêcheraient certaines radiations dangereuses d'atteindre la surface de la planète. De plus, des molécules organiques contenues dans les brumes pourraient se déposer à la surface des exoplanètes. Elles pourraient donc favoriser l'apparition de la vie.

Neuf exoplanètes hypothétiques modélisées par des mélanges gazeux

Les chercheurs ont simulé les atmosphères de superterres et de mini-Neptune, car les brumes auraient un rôle important sur les exoplanètes de ce type, où la température est inférieure à 1.000 K et où la métallicitémétallicité est élevée, c'est-à-dire que la planète est constituée majoritairement d'éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium.

Pour établir des compositions chimiques de mélanges gazeux pouvant refléter l'atmosphère des exoplanètes, ils se sont servi d'une modélisationmodélisation informatique. L'ordinateurordinateur leur a proposé neuf mélanges gazeux couvrant des températures allant de 300 à 600 K et de métallicité 100, 1.000 ou 10.000 fois plus élevée que le Soleil (essentiellement composé d'hydrogène et d'hélium), pour autant de planètes potentielles.

Les chercheurs ont créé ces mélanges, les ont chauffés dans des enceintes et les ont soumis à des décharges de plasma, constituant une source d'énergieénergie, durant trois jours, afin d'initier des réactions chimiques. « L'énergie casse les molécules de départ. Celles-ci réagissent entre elles pour former de nouvelles choses et parfois il s'agit de particules solides (créant de la brume) et parfois non » explique Sarah Hörst dans un communiqué du JHU.

La chercheuse Sarah Hörst vérifie grâce à une lampe s’il y la formation de brume dans l’enceinte où se déroule l’expérience. © Will Kirk/JHU

Dans tous les modèles testés, les chercheurs ont observé une production de particules par photochimie, autrement dit de brume. Si dans certains cas le taux de formation de brume était très faible, l'expérience était particulièrement probante pour les atmosphères riches en eau et en méthane (de métallicité 1.000 fois supérieure à la métallicité solaire) chauffées à 300 et 400 K, avec environ 10 mg de particules formées par heure.

D'après les chercheurs, ces simulations révèlent quels types d'atmosphères sont susceptibles de posséder des brumes photochimiques. Cette connaissance pourrait préciser l'analyse spectrale des atmosphères des exoplanètes et aider à déterminer des traces de vie. Ils envisagent de reproduire l'expérience sur d'autres compositions chimiques, tout en modifiant la température et les sources d'énergie. Ils souhaitent également analyser la composition des brumes produites, ainsi que la couleurcouleur et la taille des particules, car ces paramètres influent sur le rayonnement réfléchi.