Monde de l’eau? Méthane et dioxyde de carbone dans l’atmosphère d’une exoplanète massive

Les premières observations sur les propriétés atmosphériques de cette exoplanète de zone habitable sont venues d’observations réalisées avec le télescope spatial Hubble de la NASA, qui ont donné lieu à d’autres études qui ont depuis modifié notre compréhension du système.

K2-18 b orbite autour de l’étoile naine froide K2-18 dans la zone habitable 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 voisines 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 le 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 dans K2-18 b. Ces premières observations de Webb ont également permis de détecter une molécule appelée sulfure de diméthyle (DMS). Sur Terre, cela 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.

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 les atmosphères 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 K2-18b, 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 Les lettres du journal astrophysique.

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.”