Une équipe internationale incluant l’Université de Berne (UNIBE) et l’Université de Genève (UNIGE), membres du Pôle de recherche national PlanetS, est parvenue à cartographier pour la première fois le climat d’exoplanètes rocheuses de masses similaires à celle de la Terre. Cette avancée majeure repose sur des observations continues menées avec le télescope spatial James Webb. Les deux planètes étudiées appartiennent au système planétaire emblématique TRAPPIST-1, découvert il y a dix ans. Ce système de sept planètes est un véritable laboratoire pour les scientifiques qui étudient la vie dans l’Univers et notamment autour des étoiles de type naine rouge. Les deux planètes ne semblent pas posséder d’atmosphère, les observations montrant des différences de température entre le jour et la nuit de plus de 500 °C. Ces résultats sont à découvrir dans Nature Astronomy.

Les étoiles de type naine rouge - plus froides et plus petites que notre Soleil – représentent plus de 75 % des étoiles de notre Galaxie. Les astronomes ont pu montrer que les petites planètes de taille similaire à celle de la Terre sont fréquentes autour de ces étoiles. Dès lors, la question de l’émergence de la vie sur ces mondes, très différents du nôtre, s’est rapidement imposée.

Parmi les systèmes planétaires découverts autour des naines rouges, TRAPPIST-1, qui fête cette année les dix ans de sa découverte, occupe une place de premier plan pour la recherche scientifique. Les astronomes ont marqué cet anniversaire par une campagne d’observations des deux planètes les plus proches de l’étoile, TRAPPIST-1b et TRAPPIST-1c, avec le télescope spatial James Webb (JWST). Ces observations continues ont permis d’écarter l’hypothèse de la présence d’une atmosphère dense sur les deux planètes, confirmant que les conditions difficiles autour de ces étoiles peuvent influencer l’évolution des planètes.

«Le système TRAPPIST-1 est incroyable! Sept planètes, dont certaines avec une masse similaire à celle de la Terre, tournent autour de la même étoile. Au moins trois planètes se trouvent dans la zone habitable de l’étoile, où la température à la surface permettrait la présence d’eau liquide. Le terrain de jeu parfait pour faire de la planétologie comparée, percer les mystères de ce type de planète et tester nos hypothèses sur le développement de la vie autour de ces étoiles», s’enthousiasme Emeline Bolmont, professeure associée au Département d’astronomie de la Faculté des sciences et directrice du Centre pour la Vie dans l’Univers (CVU) de l’UNIGE, co-autrice de l’étude.

Bombardements énergétiques

Les naines rouges et leurs planètes ont beau être fréquentes dans notre Galaxie, leur habitabilité ne coule pas forcément de source. Ces étoiles sont en effet très actives et bombardent leurs planètes d’intenses rayonnements ultra-violets et de flux de particules énergétiques, ce qui pourrait éroder leur atmosphère et éradiquer toute forme de vie s’il y en avait une.

D’autre part, les planètes dans la zone habitable d’une naine rouge orbitent très près de celle-ci et les forces de marée vont ainsi synchroniser leur rotation avec leur révolution, comme la Lune avec la Terre. Les planètes effectuent alors un tour sur elles-mêmes en même temps qu’elles font un tour autour de leur étoile. Résultat, un côté jour permanent et une face nocturne permanente.

«La présence d’une atmosphère autour de ces planètes ''verrouillées'' par les marées pourrait permettre un transfert d’énergie entre le côté jour et le côté nuit en permettant des températures plus modérées sur l’ensemble de la planète, ce qui a un impact important sur leur potentielle habitabilité», ajoute Brice-Oliver Demory, professeur et directeur du Centre pour l’Espace et l’Habitabilité de l’UNIBE, co-auteur de l’étude. «Réussir à détecter l’atmosphère d’une de ces planètes est donc devenu un objectif clé pour notre communauté, d’où l’importance des observations du système TRAPPIST-1 avec le JWST», précise-t-il.

Soixante heures d’observations
Les observations avec le JWST consistaient à scruter de manière continue dans l’infrarouge, pendant une orbite complète, les deux planètes les plus proches de l’étoile et donc les plus exposées aux intenses rayonnements ultra-violets et aux flux de particules énergétiques de celle-ci. Les 60 heures d’observations ont, pour la première fois, permis aux scientifiques de cartographier le climat de planètes de la taille de la Terre. En mesurant le flux de lumière en provenance de TRAPPIST-1 et des planètes «b» et «c», les astronomes ont déterminé avec une grande précision la température à la surface des deux planètes, côté jour et côté nuit.

TRAPPIST-1b et TRAPPIST-1c présentent une grande différence de température entre leurs deux hémisphères. Durant le jour, la température à la surface des deux planètes atteint plus de 200 °C pour TRAPPIST-1b et près de 100 °C pour TRAPPIST-1c, tandis que leur nuit plonge l’une et l’autre dans un froid glacial, avec des températures inférieures à -200 °C. Cet énorme contraste plaide pour une absence de redistribution d’énergie entre les deux côtés des planètes et donc pour une absence d’atmosphère. Si les deux planètes en possédaient une lors de leur formation, celle-ci a été totalement soufflée par les conditions extrêmes infligées par leur étoile.

La traque continue
L’absence d’atmosphère dense pour les deux planètes internes du système TRAPPIST-1 conforte l’hypothèse que les rayonnements intenses et les éjections énergétiques des naines rouges jouent un rôle important dans l’évolution des planètes autour de ce type d’étoile. Qu’en est-il à présent pour les planètes légèrement plus éloignées et qui se trouvent dans la zone habitable? Le JWST observe justement en ce moment la planète «e» du système qui se trouve dans la zone habitable de l’étoile – l’endroit où l’eau peut exister en surface à l’état liquide.

«TRAPPIST-1 fait office de référence. Nos modèles théoriques montrent que les planètes plus externes du système TRAPPIST-1 peuvent posséder une atmosphère malgré l’absence de celle-ci sur les deux planètes internes. Un peu comme Mercure, la planète la plus proche de notre Soleil, qui ne possède pas d’atmosphère alors que Vénus et la Terre ont conservé la leur. Nous avons hâte de continuer l’exploration du système TRAPPIST-1!», conclut Emeline Bolmont.