Une « super-Terre » proche offre aux scientifiques une rare opportunité d’apercevoir directement la surface exposée d’une planète rocheuse lointaine qui ne ressemble guère à la Terre. La planète, nommée LHS 3844 b, est un monde chaud, sombre et sans atmosphère, avec une composition de surface et des conditions géologiques plus proches de celles de la Lune ou de Mercure que de celles des planètes semblables à la Terre, selon les dernières observations.
L'équipe de recherche scientifique a utilisé l'instrument infrarouge moyen MIRI sur le télescope spatial James Webb (JWST) de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) pour effectuer des observations détaillées du côté solaire de la planète. La recherche a été dirigée par Sebastian Ziba, qui a étudié pour un doctorat à l'Institut Max Planck d'astronomie (MPIA) à Heidelberg, en Allemagne, et a impliqué Laura Kreidberg, directrice du MPIA et chercheuse principale du projet. Par rapport à l'accent précédent mis sur les atmosphères des exoplanètes, ce travail fait progresser la recherche vers la « géologie des exoplanètes » - en essayant de contraindre directement la composition de la surface et l'histoire évolutive des planètes rocheuses en dehors du système solaire. Les résultats pertinents ont été publiés dans la revue Nature Astronomy.
LHS 3844 b est une planète rocheuse dont le rayon est environ 30 % plus grand que celui de la Terre. Elle orbite autour d'une étoile naine rouge froide à une distance extrêmement proche, avec une période orbitale d'environ 11 heures seulement, et la distance entre la planète et son étoile mère n'est que d'environ trois diamètres stellaires. Une orbite aussi étroite fait que la planète est verrouillée par les marées, avec un côté toujours flamboyant vers l'étoile et l'autre côté en permanence dans l'obscurité. Sa surface solaire est aussi chaude qu'environ 1 000 Kelvin (environ 725 degrés Celsius) et l'ensemble du système planétaire n'est qu'à environ 48,5 années-lumière de la Terre.
Grâce à l'excellente sensibilité du télescope Webb, les chercheurs ont pu mesurer directement la luminosité du rayonnement thermique de la surface de cette planète rocheuse. "Ce que nous avons vu était une roche sombre, chaude et stérile, sans aucune atmosphère détectable", a déclaré Kreidberg à propos de ses observations. Étant donné que les télescopes ne peuvent pas déterminer directement la surface circulaire de la planète, les chercheurs ont utilisé des techniques d'« éclipse secondaire » et de « courbe de phase » pour inverser le rayonnement infrarouge émis par la surface solaire de la planète en suivant les faibles fluctuations de la luminosité totale de l'ensemble du système lorsque l'orbite change.
MIRI observe le système dans la bande de 5 à 12 microns et divise ensuite cette bande en sous-bandes plus fines pour obtenir la distribution spectrale dans l'infrarouge moyen du rayonnement de la surface planétaire. L’équipe a également intégré des données antérieures du télescope spatial Spitzer dans l’analyse afin d’améliorer la robustesse de l’ajustement spectral. En comparant la luminosité à différentes longueurs d'onde avec des modèles théoriques, les chercheurs ont pu examiner diverses combinaisons potentielles de matériaux de surface, de la croûte granitique terrestre aux basaltes de style lunaire et aux laves dérivées du manteau.
Les calculs excluent explicitement les scénarios de surface similaires à la croûte continentale terrestre. La croûte terrestre granitique riche en silicates est généralement formée par une longue tectonique des plaques et un recyclage du magma, nécessitant souvent la participation d'eau liquide. Des fusions et différenciations répétées permettent aux minéraux légers de flotter progressivement à la surface. Ziba a noté que le spectre de LHS 3844 b ne montre aucun signe de cette croûte granitique riche en silicates, ce qui signifie que la tectonique des plaques de type terrestre n'a jamais eu lieu sur la planète ou a depuis longtemps cessé de fonctionner. Cela implique également que la teneur en eau interne de la planète est extrêmement faible, ce qui est fondamentalement différent des « planètes semblables à la Terre » au sens habituel du terme.
En revanche, les observations soutiennent une scène de surface « dominée par le basalte ». Le modèle le plus cohérent avec les données est une vaste zone de roche basaltique formée par la solidification du magma dérivé du manteau, semblable aux vastes plaines basaltiques de la Terre ou aux « maria » de la Lune. Ces roches sont généralement riches en magnésium et en fer et contiennent une variété de minéraux de silicate de fer et de magnésium tels que l'olivine. L’ajustement a montré que des couches de roches ou de graviers plus grossières correspondraient également bien aux observations, tandis qu’une surface composée uniquement de poussière fine serait trop brillante pour correspondre aux observations actuelles.
En raison de l'absence de barrière atmosphérique, la surface de LHS 3844 b est complètement exposée au rayonnement de l'étoile mère et au bombardement de météoroïdes, et souffre depuis longtemps de ce qu'on appelle « l'altération spatiale ». Ces processus brisent progressivement la roche dure en minuscules particules semblables au régolithe lunaire et enrichissent sa surface en fer et en carbone, rendant le matériau plus sombre et plus endothermique. Ziba a souligné que c'est ce régolithe sombre et altéré qui rend les propriétés optiques et infrarouges globales de la surface de la planète plus cohérentes avec les observations.
Sur la base des données existantes, l'équipe a proposé deux scénarios possibles pour l'évolution de la surface. La première est que la surface de la planète est largement recouverte de roches basaltiques relativement « jeunes », ce qui suggère qu'une activité volcanique récente ou en cours a amené de la roche fraîche en fusion à la surface. Le deuxième type est l'« ancienne » surface dominée par l'altération spatiale à long terme : l'ancienne plaine magmatique a été traitée à plusieurs reprises par irradiation et impacts sur des centaines de millions d'années, et est recouverte d'une épaisse couche d'altération sombre comme la Lune ou Mercure. A en juger par la morphologie spectrale, cette dernière scène de « silence à long terme » est plus cohérente avec les observations.
Pour distinguer ces deux scénarios, un indicateur clé est de savoir s'il existe une activité volcanique continue sur la planète. Sur de nombreux corps célestes géologiquement actifs, les volcans libèrent de grandes quantités de gaz, dont le dioxyde de soufre (SO₂) est l'un des traceurs typiques. Si LHS 3844 b présente une forte activité volcanique contemporaine, MIRI devrait théoriquement être capable d'identifier des bandes d'absorption caractéristiques du SO₂ dans le spectre infrarouge moyen. Cependant, les observations n'ont pas détecté de telles caractéristiques, ce qui réduit considérablement la possibilité d'une activité volcanique récente, mais confortent plutôt l'explication selon laquelle sa surface est « refroidie et dormante » depuis longtemps, la rendant plus proche de Mercure en apparence.
Afin de clarifier davantage la véritable apparence de cette planète, l’équipe de recherche a prévu davantage d’observations JWST de suivi. L'une des tâches clés consiste à mesurer les propriétés de rayonnement thermique et de réflexion de la surface de la planète sous différents angles de vue, en utilisant la manière dont la lumière est diffusée pour distinguer les surfaces rocheuses rugueuses des matériaux relativement lisses ou meubles. Ce type de technologie a permis d’étudier avec succès les astéroïdes du système solaire et, désormais transplantée dans le domaine des exoplanètes, elle devrait permettre aux scientifiques de déterminer si la couche superficielle de LHS 3844 b est une dalle rocheuse entière, une plaine de lave ou une épaisse accumulation de poudre et de débris.
Kreidberg a déclaré que l'équipe est convaincue que l'utilisation de la même méthode révélera non seulement les propriétés crustales de LHS 3844 b, mais fournira également des informations « au niveau de la surface » pour des exoplanètes plus rocheuses à l'avenir. Les observations JWST utilisées ici proviennent du projet d'observation générale 1846, intitulé "Recherche de signes de volcans et de géodynamique sur l'exoplanète rocheuse chaude LHS 3844 b", pour lequel elle est scientifique en chef et Ren Ru est co-responsable. Les institutions participant à cette recherche sont situées aux États-Unis, en Allemagne, en Chine et dans d'autres pays, notamment le Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, le California Institute of Technology, le Jet Propulsion Laboratory, l'Université de Pékin, l'Université d'État de Pennsylvanie, le Goddard Space Flight Center de la NASA et de nombreuses universités et instituts de recherche européens.
L'instrument MIRI responsable de cette observation a été développé par une équipe conjointe de nombreux pays européens, dont la Belgique, le Danemark, la France, l'Allemagne, l'Irlande, les Pays-Bas, l'Espagne, la Suède, la Suisse et le Royaume-Uni. Des travaux pertinents ont été réalisés grâce au financement des institutions nationales de recherche scientifique de chaque pays. En Allemagne, les principaux bailleurs de fonds sont la Société Max Planck et le Centre aérospatial allemand, et les unités participantes comprennent l'Institut Max Planck d'astronomie de Heidelberg, l'Université de Cologne et la société Hensold. En tant qu'une des installations d'astronomie spatiale les plus importantes aujourd'hui, le télescope spatial James Webb est dirigé par la NASA, avec la participation de l'Agence spatiale européenne et de l'Agence spatiale canadienne, et s'engage à ouvrir de nouvelles fenêtres dans les domaines de la formation précoce des galaxies, de la naissance des étoiles et des planètes, ainsi que de l'atmosphère et des propriétés de surface des exoplanètes. Avant cela, le télescope spatial Spitzer avait jeté les bases de la recherche sur les exoplanètes grâce à des observations infrarouges, et ses projets associés étaient gérés par le Jet Propulsion Laboratory du California Institute of Technology pour le compte de la NASA.