[News] Du méthane sur une mini-Neptune tempérée ?

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L’annonce en 2019 de la détection de vapeur d’eau dans l’atmosphère de K2-18 b, une exoplanète d’environ huit masses terrestres située dans la zone dite "habitable" de son étoile, fit grand bruit. Une étude menée par des chercheurs de l’Observatoire de Paris - PSL au Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique remet en cause cette détection. Elle est publiée en tant que Matters Arising dans Nature Astronomy, le 12 mai 2022.

Vue d’artiste de l’exoplanète K2-18 b, de son étoile-hôte, et d’une seconde planète du système planétaire.
ESA/Hubble, M.Kornmesser

De par sa masse (entre 7 et 10 masses terrestres) et son rayon (environ 2,5 rayons terrestres), l’exoplanète K2-18 b, découverte en 2015 par le satellite Kepler, est considérée comme une "super-Terre" ou une "mini-Neptune". Par ailleurs, elle reçoit à peu près la même quantité d’énergie de son étoile, une naine rouge, que la Terre en reçoit du Soleil.

En analysant des données obtenues par le télescope spatial Hubble enregistrées lors du passage de K2-18 b devant son étoile, deux équipes avaient annoncé en 2019 la détection de vapeur d’eau dans son atmosphère: une première pour une planète gravitant dans la "zone habitable" de son étoile. Cette détection reposait sur une absorption observée vers une longueur d’onde de 1,4 micromètres. Ces équipes avaient également conclu à la présence de quantités notables d’hydrogène et d’hélium et vraisemblablement de nuages d’eau.

Simulations numériques en appui

Une équipe du LESIA a produit des simulations numériques de l’atmosphère de K2-18 b en utilisant un modèle physique et chimique cohérent (basé sur le programme informatique Exo-REM) et en supposant que l’exoplanète avait une composition chimique proche de celle de Neptune. Ils sont ainsi parvenus à reproduire les données de K2-18 b enregistrées par Hubble, le meilleur ajustement étant obtenu pour une proportion d’éléments lourds (oxygène, carbone, azote, etc.) par rapport à l’hydrogène d’environ 200 fois la proportion solaire.

Absorption du flux stellaire par la planète K2-18b lorsqu’elle passe devant son étoile Le spectre en transit calculé avec le modèle d’atmosphère Exo-REM pour une composition chimique de type Neptune reproduit l’absorption observée par HST. Dans ce modèle, celle-ci est majoritairement due au méthane et non à la vapeur d’eau comme annoncé précédemment.
B. Bézard et al. 2022

Les spectres du passage de K2-18 b devant son étoile, tels que calculés à partir de ce modèle, montrent que l’absorption observée par Hubble est en fait majoritairement due au méthane, même si celui-ci est environ deux fois moins abondant que la vapeur d’eau. Le méthane est un gaz que l’on s’attend à trouver en abondance dans l’atmosphère des "mini-Neptunes" tempérées.

Plus généralement, ces simulations montrent que l’absorption à 1,4 micromètres de longueur d’onde n’est pas un diagnostic de la présence de vapeur d’eau pour des exoplanètes géantes dont la température d’équilibre est inférieure à 600 K.

Pour différencier la vapeur d’eau du méthane, il est donc nécessaire d’observer parallèlement à d’autres longueurs d’onde, comme pourront le faire le Webb Telescope lancé fin 2021 ou la mission spatiale européenne Ariel prévue pour 2029.

Référence:
B. Bézard, B. Charnay, D. Blain, Methane as a dominant absorber in the habitable-zone sub-Neptune K2-18 b, 2022, Nature Astronomy.

Source: Observatoire de Paris