Une nouvelle étude réalisée par le télescope spatial James Webb de la NASA sur K2-18b, une exoplanète 8,6 fois la masse de la Terre, a découvert 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 K2-18b pourrait être une exoplanète « océanique », possédant potentiellement une atmosphère riche en hydrogène et une surface recouverte par un océan d'eau.
Les observations réalisées avec le télescope spatial Hubble de la NASA ont révélé pour la première fois les propriétés atmosphériques de cette exoplanète à zone habitable, et d'autres études ont modifié notre compréhension du système.
K2-18b orbite autour de l'étoile naine froide K2-18 dans la zone habitable, à 120 années-lumière de la Terre dans la constellation du Lion. Les exoplanètes comme K2-18b ont une taille comprise entre la Terre et Neptune et ne ressemblent à aucune planète du système solaire. Comme il n’existe pas de planètes similaires à proximité, on sait peu de choses sur ces « sous-Neptunes » et les astronomes débattent de la nature de leurs atmosphères.
L’idée que le sous-Neptune K2-18b pourrait être une exoplanète eau-océan est curieuse car certains astronomes pensent que ces mondes constituent des environnements idéaux pour rechercher des preuves de vie exoplanétaire.
Niku Madhusudan, astronome à l'Université de Cambridge et auteur principal de l'article annonçant ces résultats, explique : « Nos résultats soulignent l'importance de prendre en compte une variété d'environnements habitables lors de la recherche de vie ailleurs. Traditionnellement, la recherche de vie sur les exoplanètes s'est concentrée sur des planètes plus petites et rocheuses, mais le monde plus vaste de Neptune est clairement plus propice aux observations atmosphériques.
Le méthane et le dioxyde de carbone sont abondants, mais l'ammoniac est rare, ce qui conforte l'hypothèse selon laquelle un océan d'eau pourrait exister sous l'atmosphère riche en hydrogène de K2-18b. Sur Terre, seule la vie produit cette substance. La majeure partie du DMS présent dans l'atmosphère terrestre est libérée par le phytoplancton du milieu marin.
L'inférence du DMS est moins fiable et nécessite une vérification plus approfondie. "Les prochaines observations de Webb devraient permettre de confirmer si des quantités importantes de DMS sont effectivement présentes dans l'atmosphère de K2-18b", explique Madhusudhan.
Même si K2-18b se trouve dans la zone habitable et est désormais connu pour héberger des molécules contenant du carbone, cela ne signifie pas nécessairement que la planète est capable de supporter 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 est susceptible de contenir un vaste manteau de glace à haute pression, comme Neptune, mais avec une atmosphère et une surface océanique plus minces, riches en hydrogène. Il est prévu que Sea World aura des océans d'eau. Cependant, il est également possible que l'océan soit trop chaud pour être habitable ou qu'il soit liquide.
Subhajit Sarkar de l'Université de Cardiff explique : "Bien qu'aucune planète de ce type n'existe dans le système solaire, les planètes sub-Neptunes sont de loin le type de planète le plus courant dans la Voie Lactée. Nous avons obtenu les spectres les plus détaillés jusqu'à présent d'une zone habitable sous-Neptune, ce qui nous permet de calculer les molécules présentes dans son atmosphère."
Caractériser les atmosphères des exoplanètes comme K2-18b – c’est-à-dire déterminer leurs conditions gazeuses et physiques – est un domaine très actif de l’astronomie. Cependant, ces planètes sont 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 émise par l'étoile mère de K2-18b lors de son passage dans l'atmosphère de l'exoplanète. K2-18b est une exoplanète en transit, ce qui signifie que nous pouvons détecter une baisse de luminosité lorsqu'elle passe à la surface de son étoile mère. C'est ainsi que la mission K2 de la NASA a découvert cette exoplanète pour la première fois en 2015. Cela signifie que pendant le transit, une infime fraction de la lumière des étoiles traverse l'atmosphère de l'exoplanète et atteint un télescope comme le télescope Webb. La lumière des étoiles laisse des traces lorsqu'elle traverse l'atmosphère d'une exoplanète, et les astronomes peuvent reconstituer ces traces pour déterminer les gaz présents dans l'atmosphère de l'exoplanète.
Capacités de James Webber et recherches futures
"Ce résultat a été possible grâce à la gamme de longueurs d'onde élargie du télescope Webb et à sa sensibilité sans précédent, qui ont permis une détection puissante des caractéristiques spectrales en seulement deux transits", a déclaré Madhusudan. "En comparaison, une observation de transit avec Webb était aussi précise que huit observations (sur plusieurs années) avec Hubble sur une gamme relativement étroite de longueurs d'onde.
Savvas Constantinou de l'Université de Cambridge explique : "Ces résultats sont le résultat de seulement deux observations de K2-18b, et bien d'autres sont en cours. Cela signifie que notre travail ici n'est qu'une première démonstration des exoplanètes de la zone habitable que Webb peut observer."
Les découvertes de l’équipe ont été acceptées pour publication dans The Astrophysical Journal Letters.
L'équipe a maintenant l'intention de mener des études de suivi à l'aide du spectromètre infrarouge moyen (MIRI) du télescope, qui, espèrent-ils, valideront davantage leurs résultats et fourniront de nouvelles informations sur les conditions environnementales de K2-18b.
"Notre objectif ultime est de découvrir la vie sur des exoplanètes habitables, ce qui changera notre compréhension de notre place dans l'univers", a conclu Madhusudan. "Nos découvertes au cours de cette exploration constituent une étape prometteuse vers une compréhension plus profonde du monde de Mercure."
Le télescope spatial James Webb de la NASA est l'observatoire scientifique spatial le plus important au monde. Il s'agit de découvrir les mystères du système solaire, d'observer des mondes lointains autour d'autres étoiles et d'explorer la structure mystérieuse et l'origine de l'univers ainsi que notre place dans celui-ci. Le télescope Webb est un programme international dirigé par la NASA avec des partenaires dont l'Agence spatiale européenne (ESA) et l'Agence spatiale canadienne.