Découverte d’eau sur l’exoplanète K2-18b… mais pas d'eau liquide

Vue d’artiste de ’exoplanète K2-18b. © ESA/M.Kornmesser
Pour la première fois, des chercheurs ont détecté de l’eau dans l’atmosphère d’une exoplanète située dans la zone habitable de son étoile. Mais attention, cette eau n’est probablement pas liquide. Et la planète en question, K2-18b, est loin d’être une jumelle de la Terre.

Deux équipes indépendantes, l’une menée par Björn Benneke (université de Montréal), l’autre par Angelos Tsiaras (University College de Londres), ont détecté de la vapeur d’eau dans l’atmosphère de l’exoplanète K2-18b, distante de plus de 110 années-lumière.

K2-18b est située dans la zone habitable de son étoile

Huit fois plus massive que la Terre, cette planète découverte en 2015 grâce au satellite américain Kepler, tourne en seulement 33 jours autour d’une étoile naine de type M, plus petite et plus froide que le Soleil. Naviguant très près de celle-ci, elle en reçoit donc à peu près la même quantité totale d’énergie (environ 1500 W/m2) que nous en recevons du Soleil (1370 W/m2). Les astronomes disent qu’elle se trouve dans la zone habitable de l’étoile, c’est-à-dire à une distance où l’eau peut théoriquement exister à l’état liquide sur la planète.

Huit transits observés par Hubble

Pour aboutir à ce résultat, les deux équipes ont utilisé les données du télescope spatial Hubble, capable d’observer le transit d’exoplanètes, c’est-à-dire le moment où une planète passe devant son étoile, faisant ainsi diminuer très légèrement sa luminosité. Lors de ce phénomène, l’étoile éclaire l’atmosphère de la planète — comme un projecteur situé derrière une personne fait briller ses cheveux. Grâce à un instrument appelé spectrographe, les astronomes peuvent analyser la composition de l’atmosphère ainsi illuminée. C’est ainsi qu’ils ont détecté la signature de la vapeur d’eau, mais aussi celle de l’hydrogène et de l’hélium.

L’équipe de Björn Benneke, qui avait effectué ces mesures en sollicitant du temps d’observation sur Hubble, a publié ses résultats le 10 septembre 2019, sur le site de prépublication scientifique Arxiv. L’équipe d’Angelos Tsiaras, qui s’est servi des données collectées par Benneke une fois celles-ci rendues publiques, a quant à elle publié ses résultats dans Nature Astronomy le 11 septembre.

La planète n’est pas une sœur jumelle de la Terre…

« La détection de l’eau est incontestable, commente Alain Lecavelier, spécialiste des exoplanètes à l’Institut d’astrophysique de Paris. Elle est le fruit d’un travail sérieux et patient. Pour confirmer la présence d’H2O, les astronomes ont dû observer huit passages de K2-18b devant son étoile entre 2016 et 2017, puis analyser les données durant au moins un an. Jusqu’à présent, la planète la plus petite sur laquelle on avait détecté de l’eau était Hat P11, un genre de Neptune. Avec cette découverte, nous faisons un pas de plus vers la détection de l’eau dans les super-Terre. »

Car K2-18B n’en est pas une. Ses mensurations — 8,6 fois plus massive et 2,3 fois plus grande que la Terre — indiquent qu’elle est très peu dense, donc probablement entourée d’une épaisse atmosphère. « C’est sans doute une mini-Neptune, analyse Franck Selsis, spécialiste de l’habitabilité des planètes au Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux. Rien ne permet de dire qu’elle possède une surface rocheuse. » Rien ne suggère non plus que l’eau détectée peut s’y trouver à l’état liquide.

… et elle ne contient pas d’eau liquide

Björn Benneke

Certes, dans le résumé de leur article posté sur Arxiv, les auteurs estiment que « vu les conditions de pression et de température qui doivent régner dans l’atmosphère de K2-18b, des nuages d’eau peuvent se former". Sur le site de l’université de Montréal, Björn Benneke écrit même : « Les similarités entre l’exoplanète K2-18b et la Terre font dire aux astronomes que l’exoplanète aurait potentiellement un cycle hydrologique permettant à l’eau de se condenser en nuages et à la pluie liquide de tomber. »

« Mais les auteurs ont fait là une grossière erreur, épingle Franck Selsis. Ils prennent en compte les conditions de pression de l’ensemble de l’atmosphère. Or, elle est en grande majorité composée d’hydrogène. L’eau ne compte que pour 1 % de tous les constituants. La pression de l’eau seule est donc beaucoup plus faible et par conséquent ne peut pas se trouver sous forme liquide. Sur K2-18b, l’eau est uniquement présente sous forme de vapeur ou de cristaux de glace. Ce qui n’enlève rien à la qualité de la détection. »

« D’ailleurs, la présence ou non d’eau liquide dépend beaucoup des modèles d’évolution des planètes (épaisseur de l’atmosphère, quantité de nuages…), précise Alain Lecavelier. Même sur la Terre, on ne comprend pas encore très bien comment se forment les gouttelettes d’eau dans la haute atmosphère. Alors sur une planète située à 110 années-lumière. »

Bientôt des dizaines de nouvelles planètes potentiellement habitables

S’il n’y a priori pas d’eau liquide sur K2-18b, la découverte est néanmoins très encourageante : « Trouver de l’eau sur une planète potentiellement habitable est incroyablement excitant, déclare Angelos Tsiaras. K2-18b n’est certes pas une “Terre 2.0”. Elle est bien plus massive que notre planète, et la composition de son atmosphère est différente. Mais elle nous amène un peu plus loin vers la réponse à cette question fondamentale : la Terre est-elle unique ? » Et « vers notre but ultime, celui de trouver que nous ne sommes pas seuls », ose quant à lui Björn Benneke.

À ce jour, 4111 planètes extrasolaires ont été détectées. Dans les prochaines années, des centaines d’autres viendront s’ajouter au bestiaire. Notamment grâce au télescope spatial américain Tess qui, depuis un an et demi, a déjà découvert 29 nouveaux mondes et 1077 candidats en attente de confirmation. Ses concepteurs estiment que, durant sa mission, il détectera quelque 20 000 nouvelles planètes, dont des dizaines de la taille de la Terre potentiellement habitables. 

Les successeurs d’Hubble, tels le télescope spatial James Webb (Nasa) et Ariel (ESA), dont le lancement est respectivement prévu en 2021 et en 2028, auront notamment pour mission d’analyser l’atmosphère des nouveaux mondes les plus prometteurs, avec une sensibilité sans précédent.

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