Une équipe franco-américaine qui a cherché à contraindre les dimensions et les propriétés physiques de Proxima b, propose deux cas de figure. Soit l’exoplanète la plus proche de la Terre située dans la zone habitable de son étoile ressemble à une planète-océan, soit, à l’opposé, elle a une composition qui la rapproche de celle de Mercure (ce qui n’exclut pas une présence d’eau en surface). Dans tous les cas, elle resterait potentiellement habitable et pourrait avoir une atmosphère.

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    Comme il a été dévoilé par l'Eso le 24 août 2016, Proxima du Centaure, l'étoile la plus proche du soleil (4,25 années-lumière) abrite un système planétaire composé d'au moins une planète. C'est en analysant et complétant d'anciennes observations qu'une telle découverte a pu être réalisée, marquant ainsi le domaine de la recherche d'exoplanètes.

    Ces nouvelles mesures ont montré que Proxima Centauri b - ou pour faire court Proxima b -, possède une masse proche de celle de la Terre (1,3 fois) et gravite autour de son étoile à environ 7 millions de km (soit 0,05 unité astronomiqueunité astronomique). Contrairement à ce que l'on pourrait penser, une distance aussi faible n'implique pas une température élevée à la surface de Proxima b. En effet, Proxima du CentaureProxima du Centaure est une naine rouge, sa masse et son rayon ne correspondent qu'à un dixième de ceux de notre Soleil, et sa luminositéluminosité est mille fois plus faible que notre étoile. À une telle distance Proxima b se trouve donc dans la zone habitable de son étoile et est susceptible d'abriter de l'eau liquideliquide à sa surface voire des formes de vie...

    Toutefois, on sait encore très peu de choses sur Proxima b, en particulier son rayon demeure inconnu. Il est donc impossible pour le moment de savoir à quoi ressemble la planète, ni de quoi elle est composée car la mesure du rayon d'une exoplanète s'effectue normalement lors d'un transittransit, lorsqu'elle passe devant son étoile. Mais un tel événement a une faible probabilité (1,5 %) de se produire (d'autant que l'étoile Proxima est très petite, une fois et demie le diamètre de JupiterJupiter). Effectivement, plusieurs observations de l'étoile ne montrent hélas aucun signe de transit.

    Diagramme masse-rayon comparant les positions de plusieurs exoplanètes connues à celles de planètes du Système solaire. Les courbes correspondent à certaines compositions spécifiques utilisées dans le modèle de structure interne. La zone d’existence de Proxima b est dessinée en gris et prend en compte l’incertitude sur sa masse et ses différentes compositions possibles. © CNRS

    Diagramme masse-rayon comparant les positions de plusieurs exoplanètes connues à celles de planètes du Système solaire. Les courbes correspondent à certaines compositions spécifiques utilisées dans le modèle de structure interne. La zone d’existence de Proxima b est dessinée en gris et prend en compte l’incertitude sur sa masse et ses différentes compositions possibles. © CNRS

    Solution alternative pour déterminer le rayon d’une exoplanète

    Il existe un autre moyen pour estimer le rayon d'une planète si l'on connaît sa masse, en simulant le comportement des matériaux qui la composent. C'est la méthode utilisée par une équipe de chercheurs franco-américaine issue du LAMLAM, le Laboratoire d'astrophysiqueastrophysique de Marseille (CNRS, université Aix-Marseille) et du Département d'astronomie de l'université de Cornell (États-unis).

    Avec l'aide d'un modèle de structure interne, ils ont exploré les différentes compositions que Proxima b pourrait présenter et en ont déduit les valeurs correspondantes du rayon de la planète. Ils ont restreint leur étude au cas de mondes potentiellement habitables en simulant des planètes denses et solidessolides, formées d'un noyau métallique et un manteaumanteau rocheux comme dans les planètes telluriquesplanètes telluriques du Système solaireSystème solaire, tout en autorisant l'incorporation d'une importante masse d'eau dans leur composition.

    À quoi peut bien ressembler Proxima b ?

    Ces hypothèses autorisent une grande diversité de constitution pour Proxima b, le rayon de la planète pouvant varier entre 0,94 et 1,40 fois celui de la Terre (6.371 km). L'étude montre ainsi que Proxima b possède un rayon minimum de 5.990 km et que la seule manière d'obtenir cette valeur est d'avoir un corps très dense, composé d'un noyau métallique d'une masse valant 65 % de celle de la planète, le reste étant un manteau rocheux (formé de silicatessilicates) présent jusqu'en surface. La frontière entre ces deux matériaux est alors située à environ 1.500 km de profondeur.

    Proxima b aurait alors une composition très proche de celle de Mercure, laquelle présente elle aussi un noyau métallique très massif. Dans ce cas de figure, la présence d'eau à la surface de la planète n'est pas exclue, à l'instar de la Terre où la masse d'eau ne dépasse pas 0,05 % de celle de la planète.

    Comparaison des deux cas extrêmes obtenus pour Proxima b avec la Terre. Ce schéma montre la structure interne de chaque planète. De gauche à droite : Proxima b avec le plus petit rayon atteignable (65 % de noyau métallique, entouré d’un manteau rocheux séparé en deux phases), la Terre (idem avec 32,5 % de noyau), et Proxima b avec le plus grand rayon autorisé (50 % de manteau rocheux entouré d’une couche d’eau sous forme solide puis liquide). © CNRS

    Comparaison des deux cas extrêmes obtenus pour Proxima b avec la Terre. Ce schéma montre la structure interne de chaque planète. De gauche à droite : Proxima b avec le plus petit rayon atteignable (65 % de noyau métallique, entouré d’un manteau rocheux séparé en deux phases), la Terre (idem avec 32,5 % de noyau), et Proxima b avec le plus grand rayon autorisé (50 % de manteau rocheux entouré d’une couche d’eau sous forme solide puis liquide). © CNRS

    À l'opposé, Proxima b peut aussi présenter un rayon maximal de 8.920 km, à condition qu'elle soit composée à 50 % de roches entourées de 50 % d'eau. Dans ce cas, Proxima b serait recouverte d'un unique océan liquide de quelque 200 km de profondeur. En dessous, la pressionpression serait tellement forte que l'eau liquide se transformerait en glace à haute pression, avant d'atteindre la limite avec le manteau à 3.100 km de profondeur.

    À noter que dans ces deux cas extrêmes, une fine atmosphèreatmosphère gazeuse pourrait envelopper l'exoplanète, comme sur Terre, rendant ainsi Proxima b potentiellement habitable.

    Le profil de Proxima b s’affine

    De tels résultats apportent des informations complémentaires importantes aux différents scénarios de formation qui ont été proposés pour Proxima b. Certains impliquent une planète complètement sèche, tandis que d'autres autorisent la présence d'une quantité significative d'eau dans sa composition.

    Ces travaux à paraître dans The Astrophysical Journal Letters (disponible sur arXiv) permettent d'avoir une estimation du rayon de la planète dans chacun de ces scénarios. De même, cela permet de restreindre la quantité d'eau disponible sur Proxima b, qui est sujette à une évaporation sous l'influence des rayons ultravioletsultraviolets et X de l'étoile hôte, beaucoup plus violents pour ce type d'étoile que ceux issus du Soleil.

    De futures observations de Proxima du Centaure permettront d'affiner cette étude. En particulier, la mesure des abondances stellaires en éléments lourds (Mg, Fe, Si...) diminuera le nombre de compositions possibles pour Proxima b, permettant une détermination encore plus précise de son rayon.