Détecter les exoplanètes grâce à leurs océans !

La Terre ne porteporte pas son surnom de « Planète bleue » pour rien : de l'eau recouvre près de 72 % de sa surface. Cela lui confère une signature lumineuse particulière, due à la réflexion de la lumière par cette eau. Comment des observateurs lointains la verraient-ils ? C'est ce que des chercheurs de l'université de Delft et du Royal Netherlands Meteorological Institute se sont demandé dans une étude publiée dans la revue Astronomy & Astrophysics. 

L'étude s'est penchée sur les signatures lumineuses d'une planète qui pourraient caractériser son ou ses océans. Pour ça, ils ont modélisé deux « Terres » : l'une avec une atmosphèreatmosphère sèche, sans eau, et l'autre humide, similaire à la nôtre. Ils ont ainsi pris en compte la possibilité d'avoir, ou pas, différents nuagesnuages : « l'absorption de la lumière dans l'atmosphère de la planète par les gaz H₂O, O₂, O₃, CO₂ et CH₄ a bien été prise en compte ». Ils ont ensuite étudié le trajet que ferait la lumière à travers ces deux planètes avant de revenir jusqu'à un observateur, et ont conclu qu'un océan pouvait générer un signal lumineux caractéristique de la polarisation de la lumière lorsqu'elle se reflète dans l'eau.

Avoir un océan ne serait pas si rare pour une planète

Avoir un océan est assez commun, d'après les chercheurs, qu'il soit en surface, comme pour la Terre, ou dans les profondeurs, comme c'est probablement le cas pour Europe, un satellite de JupiterJupiter. Au total, jusqu'à 25 % des exoplanètes connues abriteraient un océan, selon eux. Mais actuellement, l'eau sur ces astres est détectée par spectroscopie, c'est-à-dire par analyse de la lumière émise par la planète, lorsqu'elle passe devant son étoile. Il est possible grâce à cette méthode d'identifier des éléments, donc la présence de molécules d'H₂O, mais pas la façon dont ils sont répartis : impossible alors d'identifier formellement un véritable océan.

« De la vapeur d'eau a déjà été détectée dans les atmosphères de planètes extrasolairesplanètes extrasolaires gazeuses chaudes. Ces détections ont été faites en utilisant la spectroscopie des transitstransits de ces planètes et/ou de leurs éclipseséclipses secondaires (lorsque la planète se déplace derrière l'étoile) », décrit l'étude. Mais la nouvelle méthode que proposent les scientifiques repose sur l'observation de la lumière de l'étoile qui serait réfléchie par un océan d'eau liquideliquide sur une exoplanète.

Europe, le satellite de Jupiter, est recouvert de glace, et pourrait abriter un océan liquide dans ses profondeurs. © Nasa, JPL-Caltech, Seti Institute

La polarisation comme preuve d'un océan

Dans leur étude, les scientifiques ont calculé trois éléments dans leurs simulations numériquessimulations numériques d'exoplanètes : le flux lumineux total (F), le flux polarisé (Q) et le degré de polarisation (Ps) qui correspond au rapport entre Q et F. Ils ont ensuite modélisé les océans pour qu'ils prennent en compte tous les reliefs dus aux mouvementsmouvements des vaguesvagues et à leurs conséquences. « Les océans sont constitués de surfaces réfléchissantes de Fresnel avec des vagues agitées par le ventvent, de l'écumeécume et des ombres de vagues, au-dessus de l'eau de mer bleue naturelle », expliquent-ils. 

La lumière est une onde électromagnétique : elle se propage au sein d'un champ électrique, et d'un champ magnétique. On appelle polarisation de la lumière la direction que prend le champ électrique. Celle-ci, souvent désordonnée pour la lumière naturelle, peut être ensuite induite lors d'une rencontre de la lumière avec un milieu polarisant : c'est le cas lorsque la lumière est partiellement réfléchie par un océan. © Guérin Nicolas, Wikimédia Commons

Lorsque la lumière de l'étoile arrive sur un océan d'eau liquide, se produit alors ce que l'on appelle la « réflexion de Fresnel ». Elle se produit lorsque la lumière se réfléchit dans le même plan que la lumière incidente. Aussi appelée polarisation parallèle, elle tire son nom d'Augustin-Jean Fresnel, qui a permis sa découverte. Les chercheurs la décrivent comme « une réflexion miroirmiroir de l'étoile dans l'eau, appelée reflet, qui s'élargit avec l'augmentation de la rugosité de la surface de l'océan ». 

Les chercheurs ont étudié la vision qu'aurait un observateur selon différents angles α entre l'axe étoile-planète et la direction d'observation. Plus particulièrement, ils ont tracé le spectre lumineux total qui serait détecté (F) et le flux polarisé (Q) selon chaque angle. © Victor J.H. Trees, Daphne M. Stam

Et c'est bien ce qu'ils ont observé : leurs calculs ont montré qu'aux « longueurs d'ondelongueurs d'onde en dehors des bandes d'absorptionabsorption, le reflet océanique augmente fortement F et |Q| avec α croissant à partir de 90°. L'augmentation est causée par l'augmentation des angles de réflexion locaux sur les vagues de l'océan, et avec cela par l'augmentation de la lumière réfléchielumière réfléchie de Fresnel, donnant une lueur plus brillante ». Ils ont de plus observé que le degré de polarisation Ps plonge de manière caractéristique au niveau des bandes d'absorption uniquement en présence d'un océan ! « Les creux de Ps ne sont observés que pour les planètes océaniques et uniquement lorsque le reflet est sans nuage », s'enthousiasment-ils. Il serait alors possible de révéler un océan grâce à la mesure de la polarisation ! 

Mais, comme ils l'expliquent en conclusion de leur étude, les télescopestélescopes actuels ne disposent pas d'une résolutionrésolution suffisante pour mesurer la lumière polarisée réfléchie par des exoplanètes. Des projets sont en cours, comme l'European Extremely Large Telescope (E-ELTE-ELT) et le Large UltravioletUltraviolet Optical Infrared Surveyor (Luvoir), deux télescopes en cours de conception respectivement par l'ESOESO et la NasaNasa : tous deux seront capables de détecter la polarisation de la lumière réfléchie par les exo-océans.