En bref
Une planète rocheuse, si proche de son étoile qu’une année n’y dure que 11 heures, est aussi chaude qu’un four géant. Pourtant, le télescope James-Webb a repéré des signes d’une atmosphère et de nuages qui renverraient beaucoup de lumière dans l’espace. Les scientifiques cherchent encore de quoi cette atmosphère est faite et comment elle peut résister à une chaleur pareille.
À quelque 280 années-lumière de la Terre se trouve un monde rocheux qui ne lui ressemble guère, si ce n’est qu’il possède une surface solide. Baptisée TOI-561 b, cette planète tourne à une distance exceptionnellement faible de son étoile : elle en fait le tour en seulement 11 heures, et sa surface dépasse 1800 °C, soit plus de 3000 °F. Mais ce n’est pas uniquement cette chaleur extrême qui a retenu l’attention des astronomes. Ils soupçonnent aussi cette planète brûlante d’être enveloppée d’une atmosphère et de nuages capables de renvoyer une grande partie de la lumière de son étoile vers l’espace.
Une planète sans alternance habituelle du jour et de la nuit
La mission TESS de la NASA a repéré la planète en 2020, dans le cadre de sa recherche de mondes en orbite autour d’autres étoiles. Le nom TOI-561 b désigne une planète en orbite autour de l’étoile TOI-561. Ce qui la distingue, toutefois, c’est l’étroitesse de son orbite. Alors que l’année de nombreuses planètes se compte en jours, voire en mois, ce monde n’a besoin que de 11 heures pour revenir au même point de son parcours autour de son étoile.
En raison de cette proximité, la planète tourne probablement sur elle-même au même rythme qu’elle fait le tour de son étoile. Ainsi, la même face reste toujours tournée vers l’étoile, tandis que l’autre demeure à l’écart de sa lumière directe. TOI-561 b ne connaît donc pas le cycle quotidien que nous avons l’habitude d’observer, avec un lever et un coucher du soleil. Une moitié reste plongée dans un jour permanent et l’autre dans une nuit éternelle.
Une telle configuration peut créer un contraste immense entre les deux hémisphères. La face éclairée reçoit sans cesse la lumière de l’étoile, tandis que l’autre ne voit jamais sa lumière directe. Si la face éclairée était une roche nue, sans atmosphère, sa température devrait être encore plus élevée que celle qui a été mesurée. Ce décalage a conduit les chercheurs à s’interroger : une couche de gaz transporte-t-elle une partie de la chaleur vers la face nocturne, ou une grande quantité de lumière est-elle renvoyée avant de réchauffer la surface ?
Le télescope Webb suit la planète sur son orbite
Pour répondre à ces questions, l’équipe a utilisé le télescope spatial James-Webb afin de suivre les variations de luminosité et de température de la planète au fil de son déplacement. Les observations ont duré 37 heures, ce qui a permis de couvrir près de 4 orbites complètes. Il ne s’agissait pas simplement de prendre une image de la planète, mais de mesurer comment la lumière provenant du système changeait à mesure que le monde se déplaçait par rapport à son étoile et à l’observateur.
Ce type de mesure aide à reconstituer la répartition de la chaleur et de la lumière à la surface d’une planète. Quand la luminosité observée varie au cours d’une orbite, les chercheurs peuvent déduire des différences entre les régions visibles à différents moments. Selon Lisa Dang, membre de l’équipe et chercheuse à l’Université de Waterloo, l’analyse de ces variations montre que la planète renvoie une quantité notable de lumière de son étoile et que la chaleur ne reste pas confinée à la seule face éclairée. Ces deux indices réunis renforcent l’hypothèse de la présence d’une atmosphère.
Le fait d’avoir observé presque une orbite entière est particulièrement important : pour la première fois dans le cadre de cette étude, l’équipe a pu examiner la face nocturne de la planète. La question centrale était de savoir si cette face sombre était assez chaude pour recevoir la chaleur qui s’échappe du côté éclairé. Or, les mesures de Webb indiquent que la chaleur transférée vers la face nocturne ne suffit pas à expliquer pourquoi la face éclairée est moins chaude que prévu. Le transfert de chaleur vers la nuit ne suffit donc pas à résoudre l’énigme, et la réflexion de la lumière apparaît comme un élément important de l’explication.
Une surface qui réfléchit la lumière comme Vénus
Les résultats suggèrent que TOI-561 b renvoie vers l’espace environ trois quarts de la lumière de son étoile qui l’atteint. Cette proportion, proche de 75 %, est comparable à celle de Vénus, la planète du Système solaire qui réfléchit le plus la lumière du Soleil. À titre de comparaison, la Terre n’en renvoie qu’environ 30 %. Cette comparaison porte uniquement sur la quantité de lumière réfléchie : Vénus, la Terre et TOI-561 b ont des températures et des conditions atmosphériques radicalement différentes.
Une forte réflexion peut sembler n’être qu’un détail lumineux, mais elle aide à comprendre l’équilibre thermique de la planète. La lumière renvoyée ne se transforme pas en chaleur à la surface. Une couche réfléchissante peut donc limiter l’énergie absorbée par la face tournée vers l’étoile. Cela expliquerait pourquoi la surface semble moins chaude que ne le serait une roche nue exposée en permanence à la lumière de son étoile. L’atmosphère éventuelle ne serait donc pas seulement une enveloppe qui redistribue la chaleur : elle pourrait aussi contenir des nuages renvoyant une grande partie de la lumière vers l’espace.
L’équipe estime que des nuages de silicates pourraient être à l’origine de cette forte réflexion. Ces nuages se formeraient dans l’atmosphère brûlante de la planète. Parmi les substances envisagées figurent le dioxyde de silicium et les silicates de magnésium, des composés appartenant à une famille de minéraux que l’on trouve aussi dans des matériaux familiers sur Terre, comme le quartz et le sable. Dans les conditions extrêmes de cette planète, il ne faut toutefois pas imaginer des nuages d’eau semblables à ceux de notre ciel : il s’agirait plutôt de particules minérales vaporisées ou condensées dans un environnement à très haute température.
Par leur effet sur la lumière, ces couches pourraient agir comme une barrière et renvoyer une partie de la lumière de l’étoile avant qu’elle ne soit absorbée. Elles pourraient également contribuer à la persistance de l’atmosphère, même si les données disponibles ne permettent pas encore de préciser tous les liens entre ces phénomènes. Les observations étayent l’existence d’une atmosphère et suggèrent la présence de nuages très réfléchissants, mais elles ne révèlent pas encore définitivement la composition des gaz ni la manière dont ils circulent autour de la planète.
Une atmosphère entre deux scénarios extrêmes
Les scientifiques ignorent encore de quoi est faite l’atmosphère de TOI-561 b. Une possibilité est qu’elle soit dense et riche en dioxyde de carbone, ce qui évoquerait, de manière générale, l’atmosphère de Vénus. Une autre hypothèse est qu’elle contienne beaucoup de dioxyde de soufre. Elle se rapprocherait alors de l’image d’un milieu marqué par une intense activité volcanique, comme sur Io, la lune de Jupiter qui est l’astre le plus volcanique du Système solaire.
Ces comparaisons ne signifient pas que la planète soit une copie de Vénus ou d’Io. Elles offrent aux chercheurs deux pistes possibles pour comprendre comment son atmosphère s’est formée et comment elle se maintient. Si l’activité volcanique libère des gaz dans l’atmosphère, elle pourrait remplacer ceux que la planète perd au fil du temps, comme on le suppose pour Io. Si sa composition est différente, d’autres mécanismes pourraient expliquer sa persistance. Dans les deux cas, il faudra connaître les substances réellement présentes avant de pouvoir déterminer précisément ce qui se passe sur ce monde.
Cette question de la persistance de l’atmosphère est d’autant plus importante que TOI-561 b reçoit une quantité considérable d’énergie de son étoile et que sa surface dépasse 1800 °C. On pensait auparavant qu’un monde aussi brûlant aurait du mal à conserver une atmosphère, voire ne pourrait pas en garder du tout. Les nouveaux indices ouvrent la possibilité qu’une atmosphère ait subsisté autour de la planète pendant des milliards d’années malgré ces conditions extrêmes. Ils ne suffisent cependant pas à établir l’âge de cette atmosphère ni à reconstituer son évolution : ils soulèvent plutôt une nouvelle question sur les mécanismes qui pourraient la protéger ou la renouveler.
Que révéleront les prochaines observations ?
L’équipe estime que de nouvelles observations à des longueurs d’onde plus longues, réalisées avec le télescope James-Webb, pourraient départager les différentes explications. Les substances ne laissent pas toutes les mêmes signatures dans la lumière. Leur analyse pourrait indiquer si l’atmosphère ressemble davantage à un brouillard riche en dioxyde de carbone, si elle porte des traces marquées de dioxyde de soufre, ou si elle possède une autre composition encore inconnue. Des mesures supplémentaires pourraient aussi préciser la nature des nuages minéraux qui expliqueraient la forte réflexion.
Déterminer la composition de l’atmosphère permettrait de relier trois énigmes : comment la planète renvoie autant de lumière de son étoile, comment la chaleur se répartit entre ses deux faces et comment une atmosphère peut se maintenir dans un environnement aussi hostile. Chaque réponse aidera à mettre à l’épreuve un scénario différent. Les nuages réfléchissants dominent-ils le phénomène ? Les volcans renouvellent-ils les gaz de l’atmosphère ? Ou plusieurs mécanismes agissent-ils ensemble ?
Lisa Dang, de l’Université de Waterloo, figure parmi les chercheurs ayant participé à l’étude. Les résultats de l’équipe ont été publiés dans The Astronomical Journal. Cette étude montre qu’il n’est pas toujours nécessaire d’observer directement les détails de la surface d’une planète lointaine pour en apprendre davantage. Les variations de lumière et de chaleur mesurées au fil de son orbite peuvent révéler des propriétés invisibles sur une image unique, comme la présence possible d’une atmosphère ou les différences entre sa face éclairée et sa face sombre.
Conclusion
TOI-561 b est un monde rocheux aux conditions extrêmes : situé à environ 280 années-lumière, découvert en 2020, il fait le tour de son étoile en 11 heures et sa surface dépasse 1800 °C. Au cours de 37 heures d’observations qui ont couvert près de 4 orbites, le télescope James-Webb a repéré des indices suggérant que la planète renvoie environ 75 % de la lumière de son étoile et pourrait être entourée de nuages de silicates ainsi que d’une atmosphère.
La composition de cette atmosphère reste une question ouverte. Certains de ses composants pourraient rappeler ceux de l’atmosphère de Vénus, tandis que d’autres indices pourraient être liés au dioxyde de soufre et à une activité volcanique semblable à celle d’Io. De futures observations de Webb à des longueurs d’onde plus longues aideront à tester ces hypothèses. En attendant, cette découverte est remarquable : elle suggère qu’une planète brûlante peut réfléchir la lumière et répartir la chaleur de façon inattendue, et peut-être conserver une atmosphère pendant de très longues périodes.