LHS 1140 | Détection indirecte de l'atmosphère d'une Super-Terre

L’étude des planètes en orbite autour d’autres étoiles que le Soleil est aujourd’hui l’un des domaines de recherche les plus importants de l’astronomie. Ces exoplanètes représentent une source infinie de découvertes et de surprises. En effet, parmi les plus de 6 400 exoplanètes détectées, les astronomes ont observé des systèmes très différents du nôtre. Pour le moment, les planètes les plus étudiées sont des exoplanètes géantes similaires à Jupiter. Logiquement, plus une planète est grande, plus il est facile de la détecter et de l’analyser. Néanmoins, la recherche de planètes semblables à la Terre reste l’objectif premier des astronomes. Alors que plusieurs centaines d’exoplanètes rocheuses ont déjà été découvertes, de nombreux chercheurs et chercheuses se penchent désormais sur l’étude de leur atmosphère. Ainsi, une étude menée par une équipe de Cambridge a récemment observé pour la première fois l’évaporation de l’atmosphère de la super-Terre LHS 1140 b.

Les atmosphères exoplanétaires

Dans le Système solaire, toutes les planètes, à l’exception de Mercure, disposent d’une atmosphère épaisse. Les astronomes supposèrent donc rapidement que les planètes extrasolaires devaient également posséder une enveloppe gazeuse. Cependant, observer une couche de gaz autour d’une planète située à des milliers de milliards de kilomètres est extrêmement difficile. C’est pourquoi la méthode la plus simple pour observer ses atmosphères reste l’observation des transits. C’est tout particulièrement le cas pour les planètes géantes chaudes qui se situent très proches de leur étoile, plus proches que Mercure.

Ainsi, lorsque la planète passe devant son étoile, les astronomes observent des variations dans la composition de sa lumière. En effet, lorsque toute la planète est devant l’étoile, la luminosité diminue. Cependant, l’atmosphère de la planète est transparente. Une partie de la lumière va donc traverser la couche de gaz avant d’arriver jusqu’à nous. Ce gaz va alors absorber une partie de la lumière, qui sera différente en fonction du type de molécule rencontrée. On obtient ainsi un spectre qui montre les différentes parties, ou couleurs, de la lumière absorbée par la planète. Néanmoins, la lumière ne traverse que la partie supérieure de l’atmosphère. Il est donc, pour le moment, impossible de connaître la composition globale de l’atmosphère.

Pour les planètes géantes ainsi que certaines planètes similaires à Neptune, de nombreuses atmosphères ont déjà pu être analysées. Les scientifiques ont notamment détecté la présence de vapeur d’eau, de méthane ou encore de dioxyde de carbone. Grâce à la précision du télescope spatial James Webb, les astronomes espéraient ainsi détecter pour la première fois l’atmosphère d’une planète rocheuse. Malheureusement, aucune atmosphère n’a encore pu être confirmée directement autour d’une planète semblable à la Terre.

*Spectre de l’exoplanète WASP-39 b obtenu par l’instrument NIRSpec du JWST. ©NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)*

Le système LHS 1140

Comme pour Gliese 725B ou le système Trappist, les systèmes planétaires autour de naines rouges sont les plus simples à étudier. En effet, les naines rouges sont des étoiles mesurant environ un dixième de la taille du Soleil. L’écart de taille et de luminosité avec les planètes alentour est donc beaucoup plus faible. Cependant, en contrepartie, les naines rouges émettent beaucoup plus de radiations et de particules qu’une étoile comme le Soleil. Les planètes autour de ces étoiles risquent donc d’être fortement irradiées.

Les systèmes autour de ces étoiles restent des cibles de choix pour la recherche de planètes similaires à la Terre. Dans le cas de LHS 1140, le système se situe à environ 46 années-lumière. Par ailleurs, son étoile est approximativement 5 fois plus petite que le Soleil avec une température d’environ 2 900 °C. Pour rappel, la température moyenne du Soleil à sa surface est de 5 500 °C. Ce système est âgé d’au moins trois milliards d’années et doit donc être relativement stable.

En 2016, une équipe de Cambridge détecta une première planète rocheuse autour de LHS 1140. Avec une masse d’environ 5,6 fois celle de la Terre et un rayon 1,7 fois plus grand, LHS 1140 b est donc une super-Terre. Comme son étoile est plus petite que notre Soleil, cette planète se situe beaucoup plus proche de son étoile. Elle fait ainsi un tour en seulement 24,7 jours mais reçoit à peine la moitié du flux stellaire de la Terre. Ce qui la place dans la catégorie des planètes potentiellement « habitables ».

Puis, en 2017, une seconde planète rocheuse fut détectée avec une masse de 1,9 fois celle de la Terre. Cependant, en faisant le tour de son étoile en seulement 3,78 jours, cette planète reçoit cinq fois plus de flux stellaires que la Terre. LHS 1140 c est donc probablement trop irradiée pour être habitable et disposer d’une atmosphère.

*Vue d’artiste du système LHS 1140. ©Melissa Weiss/Center for Astrophysics |Harvard & Smithsonian*

Première détection indirecte de l’atmosphère d’une super-Terre

LHS 1140 b est donc la meilleure cible pour espérer détecter une atmosphère. Ainsi, une équipe de Cambridge a utilisé l’un des deux télescopes Magellan de 6,5 m, au Chili, pour observer le système. L’équipe observa ainsi le transit des deux planètes en 2024 et en 2025. Si aucune trace d’atmosphère ne fut observée pour LHS 1140 c, ce ne fut pas le cas de LHS 1140 b.

En effet, l’atmosphère de LHS 1140 b n’est pas assez épaisse pour être détectable directement. Cependant, entre 2024 et 2025, les observations montrèrent un changement significatif. Le spectre de 2024 présentait une forte absorption par de l’hélium qui n’était plus présente sur le spectre de 2025. Ainsi, la présence d’hélium en 2024 serait due à un échappement dans l’espace d’une partie de l’atmosphère de LHS 1140 b. Cet échappement serait donc la preuve indirecte que LHS 1140 b dispose bien d’une atmosphère, potentiellement riche en hélium. Enfin, l’absence d’hélium dans les données de 2025 peut s’expliquer par un échappement variable de l’atmosphère de la planète mais aussi par la précision limitée des instruments de mesure.