Climats + atmosphères

La recherche sur les exoplanètes évolue rapidement. Il y a quelques années, l’objectif principal de ce domaine était simplement de trouver et de classer autant d’exoplanètes que possible pour nous aider à comprendre à quel point elles étaient communes et à quoi pourrait ressembler la population de planètes dans notre Galaxie. Aujourd’hui, les chercheurs développent les outils et les techniques nécessaires pour mesurer presqu’exactement l’atmosphère et le climat de chaque exoplanète.

Pas comme notre Système solaire

Une représentation artistique d’une exoplanète recouverte d’une atmosphère très chaude et nuageuse. (Crédit: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle)

Dans notre propre Système solaire, il existe essentiellement trois types de planètes: de petites planètes rocheuses près du Soleil, de grandes géantes gazeuses un peu plus loin et des géantes de glace de taille moyenne encore plus éloignées. L’une des plus grandes surprises des premiers grands relevés d’exoplanètes a été la diversité des différents types de planètes existants. Nous avons découvert plusieurs exoplanètes différentes de tout ce que nous trouvons dans notre Système solaire.

Bien que difficiles à détecter et à mesurer, une poignée de planètes semblables à la Terre ont été cataloguées et sont activement étudiées. Les planètes intermédiaires, un peu plus grandes que la Terre (super-Terre) ou un peu plus petites que Neptune (mini-Neptune), sont un peu plus étranges. Ce sont des objets fascinants, car ils nous renseignent sur l’évolution des planètes et sur la façon dont certaines d’entre elles peuvent perdre une grande partie de leur atmosphère et rapetisser.

Jupiter et Saturne sont d’énormes planètes gazeuses qui mettent plus d’une décennie à tourner autour du Soleil, et les astronomes pensaient à l’origine que toutes les géantes gazeuses auraient des orbites similaires. Cependant, les premières exoplanètes jamais détectées sont ce que nous appelons aujourd’hui des Jupiters chaudes. Il s’agit de planètes géantes qui orbitent extrêmement près de leur étoile. Pour ces planètes, une « année » peut ne représenter que quelques jours terrestres, voire quelques heures! Ce sont évidemment des planètes très chaudes, et elles peuvent avoir des vents supersoniques féroces qui font circuler la matière chaude du côté jour au côté nuit.

Un autre type de planète étrange est une ‘super-puff’. Comme on peut s’y attendre, elles doivent leur nom au fait que leur atmosphère est extrêmement gonflée. Même s’il s’agit de très grandes planètes, leur masse est relativement faible. Elles sont tellement gonflées que leur densité globale est semblable à celle de la barbe à papa!

L’un des types d’exoplanètes les plus spectaculaires est sans doute celui des planètes de lave. Elles sont l’équivalent rocheux et plus petit d’une Jupiter chaude. Les températures sur leur face externe sont si élevées que la surface rocheuse elle-même est en fusion. Bizarrement, la roche vaporisée peut être soufflée vers la face nocturne où il pleut littéralement des roches!

L’étude des atmosphères des exoplanètes

Comment savons-nous à quoi ressemble l’atmosphère de ces planètes? L’une des principales méthodes d’observation pour étudier les atmosphères des planètes est appelée la spectroscopie de transit. Lorsqu’une planète passe devant son étoile (un événement appelé « transit »), une partie de la lumière de l’étoile traverse l’atmosphère de la planète, laissant une empreinte atmosphérique dans la lumière de l’étoile qui n’est présente que pendant le transit. Les astronomes divisent cette lumière mélangée en toutes ses couleurs individuelles (une technique appelée la spectroscopie) et tentent d’extraire le signal de l’atmosphère de l’exoplanète.

Une autre méthode, appelée spectroscopie d’éclipse, consiste à détecter la lumière provenant de la face elle-même de la planète. C’est un défi car la planète émet une petite quantité de sa propre lumière qui est mélangée à la lumière des étoiles qu’elle reflète, et tout est noyé par l’étoile très brillante qui se trouve à côté d’elle. Pour distinguer la lumière de l’étoile de la « lumière de la planète », nous attendons que la planète passe derrière l’étoile (ce que l’on appelle une « éclipse »), révélant ainsi à quoi ressemble la lumière pure de l’étoile. Une fois que la planète réapparaît, le changement que nous observons est dû à la contribution de la planète.

Une carte de la température de la surface de l’exoplanète HD 189733 b grâce à des données infrarouge du télescope spatial Spitzer. (Crédit: NASA/JPL-Caltech/H. Knutson/CfA)

Grâce à la spectroscopie de transit et d’éclipse, les astronomes utilisent les « empreintes digitales » de ces planètes pour déterminer les types de molécules et d’atomes qui composent l’atmosphère de l’exoplanète, sa température et d’autres paramètres clés qui nous aident à mieux comprendre son climat et son habitabilité. Nous ne sommes pas non plus limités à l’observation des transits et des éclipses. Les planètes en orbite autour de leur étoile présentent des phases tout comme notre Lune (par exemple, croissant, gibbeuse, pleine, etc.). En mesurant l’atmosphère à différentes phases, nous pouvons détecter des changements progressifs et recréer une carte des températures est-ouest. C’est le plus que nous pouvons nous rapprocher de vraiment « voir » les détails d’une exoplanète à l’heure actuelle, bien que dans ce cas, nous « voyons » la température plutôt que son apparence visuelle.

Les mesures spectrales recueillies lors des observations spectroscopiques peuvent être utilisées dans un processus appelé extraction atmosphérique pour déterminer la structure de l’atmosphère. Pour ce faire, nous créons un modèle informatique d’une planète et d’une atmosphère avec un mélange particulier d’éléments chimiques et un profil de température/pression. Nous vérifions ensuite dans quelle mesure le spectre artificiel correspond au spectre observé. Un ordinateur puissant peut tester rapidement des millions de modèles, en effectuant de légers ajustements jusqu’à ce que la meilleure correspondance soit trouvée.

Climats et atmosphères d’exoplanètes à l’iREx

Les membres de notre Institut font de grands progrès dans la science de l’atmosphère des exoplanètes et aident à imaginer ces planètes lointaines comme des mondes à part entière. Pour en savoir plus, nous vous invitons à lire leurs profils: