Les astronomes ont identifié deux cas différents de planètes « mini-Neptune » qui perdent leurs atmosphères gonflées et se transforment probablement en super-Terres. Le rayonnement des étoiles des planètes dépouille leurs atmosphères, poussant les gaz chauds à s’échapper comme la vapeur d’une casserole d’eau bouillante.

Les résultats, publiés dans deux articles distincts en Le Journal Astronomiqueaidez à brosser un tableau de la façon dont des mondes exotiques comme ceux-ci se forment et évoluent.

Les mini-Neptunes sont une classe d’exoplanètes, qui sont des planètes qui orbite étoiles en dehors de notre système solaire. Ces mondes, qui sont des versions plus petites et plus denses de la planète Neptune, sont constitués de gros noyaux rocheux entourés d’épaisses couvertures de gaz. Dans les nouvelles études, une équipe d’astronomes dirigée par Caltech a utilisé l’observatoire WM Keck au sommet de Maunakea à Hawaiʻi pour étudier l’une des deux planètes mini-Neptune du système stellaire TOI 560, situé à 103 années-lumière; et ils ont utilisé le télescope spatial Hubble de la NASA pour observer deux mini-Neptunes en orbite autour de HD 63433, situées à 73 années-lumière.

Leurs résultats montrent que gaz atmosphérique s’échappe du mini-Neptune le plus interne en TOI 560, appelé TOI 560.01, et du mini-Neptune le plus externe en HD 63433, appelé HD 63433 c. Cela suggère qu’ils pourraient se transformer en super-Terres.

« La plupart des astronomes soupçonnaient que les jeunes et petites mini-Neptunes devaient avoir des atmosphères d’évaporation », explique Michael Zhang, auteur principal des deux études et étudiant diplômé à Caltech. « Mais personne n’en avait jamais surpris en train de le faire jusqu’à présent. »

L’étude a également révélé, de manière surprenante, que le gaz autour de TOI 560.01 s’échappait principalement vers l’étoile.

« C’était inattendu, car la plupart des modèles prédisent que le gaz devrait s’éloigner de l’étoile », explique le professeur de sciences planétaires Heather Knutson, conseillère de Zhang et co-auteur de l’étude. « Nous avons encore beaucoup à apprendre sur la façon dont ces sorties fonctionnent dans la pratique. »

L’écart planétaire expliqué

Depuis le premier exoplanètes des étoiles semblables au soleil en orbite ont été découvertes au milieu des années 1990, des milliers d’autres ont été découvertes. Beaucoup d’entre elles orbitent près de leurs étoiles, et les plus petites et rocheuses se répartissent généralement en deux groupes : les mini-Neptunes et les super-Terres. Les planètes de ces types ne se trouvent pas dans notre système solaire. Les super-Terres sont aussi grandes que 1,6 fois la taille de la Terre (et parfois aussi grandes que 1,75 fois la taille de la Terre), tandis que les mini-Neptunes font entre deux et quatre fois la taille de la Terre. Peu de planètes avec des tailles entre ces deux types de planètes ont été détectées.

Une explication possible de cet écart est que les mini-Neptunes se transforment en super-Terres. Les mini-Neptunes sont théorisés pour être coconnés par des atmosphères primordiales faites d’hydrogène et hélium. L’hydrogène et l’hélium sont des restes de la formation de l’étoile centrale, qui est née des nuages ​​de gaz. Si un mini-Neptune est suffisamment petit et suffisamment proche de son étoile, les rayons X stellaires et le rayonnement ultraviolet peuvent éliminer son atmosphère primordiale sur une période de centaines de millions d’années, théorisent les scientifiques. Cela laisserait alors derrière elle une super-Terre rocheuse avec un rayon sensiblement plus petit, qui pourrait, en théorie, conserver encore une atmosphère mince relativement similaire à celle qui entoure notre propre planète.

« Une planète dans l’espace aurait suffisamment d’atmosphère pour gonfler son rayon, lui faisant intercepter plus de rayonnement stellaire et permettant ainsi une perte de masse rapide », a déclaré Zhang. « Mais l’atmosphère est suffisamment mince pour qu’elle se perde rapidement. C’est pourquoi une planète ne resterait pas longtemps dans l’espace. »

D’autres scénarios pourraient expliquer l’écart, selon les astronomes. Par exemple, les plus petites planètes rocheuses n’ont peut-être jamais rassemblé d’enveloppes de gaz, et les mini-Neptunes pourraient être des mondes aquatiques et non enveloppés d’hydrogène gazeux. Cette dernière découverte de deux mini-Neptunes avec des atmosphères qui s’échappent représente la première preuve directe à l’appui de la théorie selon laquelle les mini-Neptunes se transforment effectivement en super-Terres.

Signatures au soleil

Les astronomes ont pu détecter les atmosphères qui s’échappaient en regardant les mini-Neptunes traverser ou transiter devant leurs étoiles hôtes. Les planètes ne peuvent pas être vues directement, mais quand elles passent devant leur étoiles vu de notre point de vue sur Terre, les télescopes peuvent rechercher l’absorption de la lumière des étoiles par les atomes dans les atmosphères des planètes. Dans le cas du mini Neptune TOI 560.01, les chercheurs ont trouvé des signatures d’hélium. Pour le système stellaire HD 63433, l’équipe a trouvé des signatures d’hydrogène dans la planète la plus externe qu’ils ont étudiée, appelée HD 63433 c, mais pas la planète intérieure, HD 63433 b.

« La planète intérieure a peut-être déjà perdu son atmosphère », explique Zhang.

La vitesse des gaz fournit la preuve que les atmosphères s’échappent. L’hélium observé autour de TOI 560.01 se déplace aussi vite que 20 kilomètres par seconde, tandis que le hydrogène autour de HD 63433 c se déplace aussi vite que 50 kilomètres par seconde. La gravité de ces mini-Neptunes n’est pas assez forte pour retenir un gaz aussi rapide. L’étendue des écoulements autour des planètes indique également des atmosphères qui s’échappent : le cocon de gaz autour de TOI 560.01 est au moins 3,5 fois plus grand que le rayon de la planète, et le cocon autour de HD 63433 c est au moins 12 fois le rayon du planète.

Les observations ont également révélé que le gaz perdu de TOI 560.01 s’écoulait vers l’étoile. Les futures observations d’autres mini-Neptunes devraient révéler si TOI 560.01 est une anomalie ou si un flux atmosphérique se déplaçant vers l’intérieur est plus courant.

« En tant que scientifiques des exoplanètes, nous avons appris à nous attendre à l’inattendu », déclare Knutson. « Ces mondes exotiques nous surprennent constamment avec une nouvelle physique qui va au-delà de ce que nous observons dans notre système solaire. »