Franck Selsis : « Les planètes gorgées d’eau ne sont pas rares »

L’astronome français Franck Selsis, devant une illustration de l’étoile naine Trappist-1. © B. Pavone et ESO
Les sept planètes terrestres qui tournent autour de la naine rouge Trappist-1 contiennent beaucoup plus d’eau que la Terre. C’est ce qu’indiquent de nouvelles estimations de leur densité. Un résultat aux implications importantes, estime l’astrophysicien Franck Selsis.

L’eau n’est peut-être pas si rare sur les petites exoplanètes. En tout cas, notre planète bleue n’aurait rien d’exceptionnel de ce point de vue, et figurerait même plutôt parmi les planètes sèches ! Les nouvelles estimations de densité des sept planètes de l’étoile Trappist-1 — inférieures à celle de la Terre, exceptée pour Trappist-1 e — indiquent en effet qu’elles possèdent toutes de l’eau en abondance. Pour Ciel & Espace, Franck Selsis, directeur de recherche au CNRS et spécialiste des atmosphères planétaires, décrypte ce résultat. 

Vous cosignez, avec une vingtaine d’astrophysiciens, un article de Simon Grimm de l’université de Berne intitulé « La nature des exoplanètes de Trappist-1 ». Quel est son résultat principal ?

Franck Selsis : Il concerne la densité des planètes découvertes autour de la naine rouge Trappist-1. Avant, ce paramètre était connu avec une précision médiocre : nous avions des incertitudes de 28% à 95%. Une nouvelle méthode a permis de préciser la masse et donc la densité de ces sept planètes, valeurs désormais mesurées avec une précision de 5% à 12%. Ces densités vont de 0,6 à 1 fois celle de la Terre.

Si ces mesures se confirment, alors les planètes b, d, f, g et h sont probablement gorgées d’eau. Je suis encore prudent, car certains chercheurs pensent que la taille des planètes de Trappist-1 pourrait être surestimée (à cause d’un effet subtil lié aux taches de l’étoile). Dans ce cas, bien sûr, les densités seraient, elles, sous-estimées. Nous en aurons le cœur net d’ici un an ou deux, quand nous aurons accumulé de nombreuses autres observations de transit [passage d’une planète devant son étoile, NDLR].

Quelle méthode a permis de mieux estimer la masse de ces exoplanètes ?

Franck Selsis : En général, on mesure la masse d’une exoplanète grâce à la méthode des vitesses radiales [qui consiste à mesurer l’effet gravitationnel d’une planète sur le mouvement de son étoile, NDLR]. Malheureusement, cette méthode qui nécessite de disperser la lumière stellaire par spectroscopie ne peut pas être appliquée à une petite étoile froide comme Trappist-1. Elle est bien trop faible dans le domaine visible. Et dans l’infrarouge où elle brille un peu plus, on commence tout juste à avoir des instruments adéquats, comme Spirou sur le CFHT à Hawaï.

On a donc utilisé la « méthode TTV », pour Transit Timing Variation. Il s’agit de mesurer l’avance ou le retard dans le temps du transit d’une planète — décalages provoqués par l’attraction gravitationnelle d’une autre planète du système. En fait, c’est l’application aux planètes extrasolaires de la méthode qui a permis à Urbain Le Verrier de découvrir Neptune, à partir des perturbations qu’elle provoquait l’orbite d’Uranus ! Sauf que Le Verrier, lui, il connaissait la période d’Uranus...

Pour Trappist-1, heureusement, les avances et les retards du moment du transit sont exceptionnellement grands. C’est dû au fait que les planètes sont très proches de l’étoile, et qu’en plus leurs orbites sont en résonance. Mais il a tout de même fallu réaliser des tas de modélisations du système à sept planètes, avec différentes périodes, différentes masses, jusqu’à trouver la combinaison qui reproduit le mieux les observations. Cette méthode demande énormément de temps de calcul. L’équipe de Berne a un serveur dédié à cela.

Comment expliquer des densités aussi faibles, donc des quantités d’eau aussi importantes dans ces planètes ?

Franck Selsis : Des planètes gorgées d’eau, ça semble assez facile à former. La plupart des super-Terre dont on a pu estimer la densité présentent des valeurs faibles. Par ailleurs, dans le Système solaire, nous avons Jupiter et ses satellites glacés, auxquels Trappist-1 et ses satellites font furieusement penser. Donc en réalité, il n’y a peut-être rien d’exceptionnel. Au contraire, on peut émettre l’hypothèse que, dans les systèmes où il n’y a pas une planète géante qui domine toutes les autres, il se forme naturellement des planètes avec de l’eau. La difficulté, autour des naines rouges, c’est de savoir comment cette eau se maintient.

Parce que les naines rouges sont des étoiles actives ?

Franck Selsis : Oui, certains de mes collègues considèrent que les planètes autour des naines rouges ne sont pas intéressantes parce que ces étoiles sont suffisamment actives pour provoquer la perte totale de l’atmosphère de leurs planètes. Et les modèles actuels nous disent en effet que c’est possible. Sauf qu’à mon avis nous ne devrions pas avoir une confiance aveugle dans ces modèles.

D’une part, parce que la modélisation de l’échappement atmosphérique est très difficile — je ne suis pas certain que l’on comprenne vraiment comment ça se passe ! D’autre part, parce que les observations semblent les contredire : on a beaucoup de planètes gazeuses près de leur étoile (« Neptune chaudes ») qui, selon ces modèles, devraient avoir perdu leur enveloppe d’hydrogène, pourtant toujours là.

Les mesures de densité des planètes de Trappist-1 sont particulièrement importantes parce que ce sont les premières qui montrent d’importantes quantités d’eau dans des planètes solides, de la taille de la Terre. Jusqu’à présent, on avait uniquement des mesures pour des super-Terre [planètes dont le diamètre peut aller jusqu’à 2 fois celui de la Terre, NDLR].

Portrait de famille des planètes découvertes autour l’étoile Trappist-1 (la représentation de leur surface est hyphothétique). © Nasa

Si ces densités se confirment, cela signifie que l’eau entre pour quelques pour cent dans la composition des planètes de Trappist-1. C’est beaucoup plus que la fraction d’eau sur Terre (<0,1%). Sous quelle forme pourrait être cette eau ?

Franck Selsis : Sur les planètes les plus proches — Trappist-1 b, c et d —, on a peut-être une atmosphère de vapeur d’eau, éventuellement mélangée à d’autres gaz, qui se transforme en un fluide dense supercritique à mesure que l’on s’enfonce vers l’intérieur [l’eau supercritique est un état de l’eau intermédiaire entre la vapeur et le liquide, qui s’obtient à haute température et haute pression, NDLR].

Sur ces planètes, il n’y a probablement pas de transition brusque entre la vapeur et l’eau liquide, comme sur Terre. C’est ce qui se passe avec l’hydrogène dans Jupiter par exemple, ou avec le dioxyde de carbone sur Vénus. Plus en profondeur, il est possible qu’un régime de glace chaude prenne place. C’est un état encore plus exotique de la matière.

Sur la planète la plus externe, Trappist-1 h, l’eau est sans doute entièrement glacée à la surface, comme c’est le cas pour Europe, Ganymède, Callisto... Mais pour e, f et g, il existe probablement un océan, qui recouvre tout ou partie de leur surface, selon la pression et la composition de leur atmosphère.

Quelles sont les conséquences d’une fraction d’eau si importante pour l’habitabilité de ces planètes ?

Franck Selsis : La présence d’eau dans de si grandes proportions a forcément une influence sur l’habitabilité. Mais il est difficile de dire si elle est positive ou négative. A priori, plus il y a d’eau et moins les molécules ont la possibilité de se concentrer. Une dissolution excessive, ce n’est pas une bonne nouvelle pour la chimie de la vie. Mais là encore, il semble y avoir des contre-exemples. On pense par exemple que la Terre n’avait aucun continent à ses débuts. Et ensuite, notre planète a été entièrement gelée plusieurs fois...

En fait, cette question de l’habitabilité des planètes de Trappist-1 se pose déjà pour les satellites glacés des planètes géantes du Système solaire. Faut-il que l’océan sous la banquise d’Europe ou d’Encelade soit en contact avec des roches pour que s’y déroule une chimie intéressante ? Ou bien est-ce que la convection de la glace suffit pour que des mélanges s’opèrent ? Je n’en sais rien, mais ce qui semble évident aujourd’hui, c’est que l’on ne peut plus s’intéresser aux satellites glacés de Jupiter sans s’intéresser aux exoplanètes autour des naines rouges. « Qu’est-ce que la nature peut fabriquer ? ». Pour moi, c’est la question la plus importante. Et c’est pour ça que je suis très impatient de voir les résultats du programme de recherche de planètes habitables Speculoos, dont Trappist n’était que le démonstrateur. Pourvu qu’il trouve rapidement les petites sœurs de Trappist-1 !

Recevez Ciel & Espace pour moins de 6€/mois

Et beaucoup d'autres avantages avec l'offre numérique.

Voir les offres

Nous avons sélectionné pour vous