James Webb a le don pour caractériser les propriétés des exoplanètes les plus incongrues qui soient : WASP-107 b en 2017, aussi grosse que Jupiter, mais avec la masse de Neptune ; K2-18 b, en 2019, une planète gorgée de vapeur d’eau ou encore PSR J2322-2650b et sa forme en ballon de rugby. Cette fois-ci, c’est une exoplanète rocheuse, baptisée TOI-561 b, qui orbite si près de son étoile qu’elle en fait le tour en à peine dix heures. Sa période de rotation coïncide exactement avec sa période orbitale, ce qui signifie qu’une moitié est exposée continuellement au rayonnement de son astre, quand l’autre ne connaît que l’obscurité.
En conséquence, TOI-561 b subit un bombardement radiatif tellement intense que son atmosphère aurait dû se volatiliser il y a des milliards d’années, mais James Webb en a tout de même détecté une. Une anomalie astrophysique sur laquelle une équipe internationale dirigée par Samuel Boucher et Lisa Dang, de l’Université de Waterloo, a travaillé, publiant à son propos une étude le 29 septembre dans la revue The Astronomical Journal. Une découverte qui, selon Anjali Piette, astrophysicienne à l’Université de Birmingham et co-autrice de l’étude, « remet en question les théories actuelles » de la physique exoplanétaire.
TOI-561 b : un miroir géant
L’équipe a utilisé le spectrographe NIRSpec de James Webb pour mesurer les variations de luminosité et de température de TOI-561 b. « Cette technique a révélé que la planète réfléchit une quantité significative de lumière stellaire, et que la chaleur est redistribuée autour de la planète au lieu de rester concentrée sur la face éclairée. Ces deux éléments réunis indiquent la présence d’une atmosphère », explique Lisa Dang.
D’après les simulations climatiques menées par l’équipe, la fournaise qui règne sur TOI-561 b est telle que les minéraux silicatés présents à sa surface (du dioxyde de silicium et du silicate de magnésium, les mêmes composés que l’on retrouve dans le quartz et le sable terrestre) ne peuvent rester à l’état solide. Ils sont vaporisés, et, lors de leur remontée dans l’atmosphère de TOI-561 b, ils se condensent et se transforment en d’innombrables gouttelettes, formant un épais couvert nuageux.
Selon leurs calculs, il est tellement dense qu’il renvoie environ 75 % de la lumière stellaire incidente avant même qu’elle n’atteigne la surface de la planète, un albédo que l’on ne retrouve, dans notre Système solaire, que sur Vénus, dont la couche de nuages d’acide sulfurique réfléchit elle aussi la majeure partie du rayonnement solaire.
Une atmosphère éphémère en perpétuel renouvellement ?
Afin d’expliquer la survie de l’atmosphère de TOI-561 b dans des conditions aussi extrêmes, les chercheurs ont émis deux hypothèses. La première suppose que TOI-561 b a accrété, dès sa formation, une quantité de gaz si importante que même des milliards d’années d’irradiation stellaire n’ont pas suffi à l’épuiser entièrement ; la planète aurait simplement débuté son existence avec un réservoir atmosphérique surdimensionné par rapport à ce que le rayonnement de son étoile pouvait lui arracher.
Toutefois, elle est difficilement conciliable avec les modèles actuels de formation planétaire : les astres rocheux qui, comme TOI-561 b, possèdent une période orbitale aussi brève sont généralement bien moins dotés en réserves gazeuses primordiales.
Selon la seconde hypothèse, l’atmosphère de TOI-561 b serait le produit de sa propre surface, un océan de magma la recouvrant entièrement qui dégazerait en permanence des composés volatils depuis le manteau vers l’extérieur, compensant la désagrégation des couches atmosphériques par le rayonnement stellaire. Ainsi, l’atmosphère détectée par Webb n’aurait donc rien à voir avec celle qui enveloppait TOI-561 b à sa naissance : elle aurait été détruite et reconstruite un nombre incalculable de fois, entretenue par ce cycle de dégazage.
Pour le moment, la composition exacte de l’atmosphère de TOI-561 b reste inconnue : ce sera le prochain sujet auquel s’attaquera l’équipe de chercheurs. Soit elle est principalement constituée de dioxyde de carbone, ce qui la rapprocherait de Vénus (en version surchauffée) ; soit elle est riche en dioxyde de soufre, un gaz que l’on retrouve en abondance autour de Io, l’une des lunes de Jupiter dont les volcans expulsent d’immenses quantités de soufre dans l’espace, lui conférant une mince atmosphère. Afin de faire le distinguo entre les deux, il faudra de nouveau l’observer à l’aide de James Webb, « à de plus grandes longueurs d’onde », conclut Dang.