N° 15–2003: Des astronomes européens observent pour la première fois l’évaporation de l’atmosphère d’une exoplanète

La planète observée, appelée HD 209458b, gravite à « seulement » 7 millions de kilomètres autour de son étoile, qui est similaire au Soleil. A titre de comparaison, Jupiter, la plus proche des planètes géantes gazeuses de notre Système solaire, gravite à 780 millions de kilomètres autour du Soleil. Les observations du télescope spatial Hubble, projet conjoint NASA/ESA, montrent que l’atmosphère d’hydrogène, chaude et dilatée, de la planète s’évapore. Cette gigantesque enveloppe d’hydrogène qui s’étend derrière la planète ressemble à la queue d’une comète. Cette planète gravite autour de son étoile avec une période orbitale très courte de 3,5 jours. Sur Terre, de l’hydrogène s’échappe également de l’atmosphère étendue, mais dans une bien moindre mesure.

Une équipe constituée principalement d’Européens, dirigée par Alfred Vidal-Madjar (Institut d’Astrophysique de Paris, CNRS, France), fait part de cette découverte dans le numéro de Nature du 13 mars 2003. « Nous avons été stupéfaits de voir que l’atmosphère d’hydrogène de cette planète s’étendait sur plus de 200 000 kilomètres », déclare M. Vidal-Madjar.

Il est assez difficile d’étudier les planètes extrasolaires, en particulier si elles sont très proches de leur étoile, car la lumière stellaire est généralement trop éblouissante. La planète observée était également trop proche de son étoile pour que Hubble puisse la photographier directement. Cependant, les astronomes ont pu l’observer indirectement : lorsque la planète transite devant le disque de l’étoile, elle bloque la lumière émise par une petite partie de celle-ci et en affaiblit légèrement l’éclat. La lumière qui traverse l’atmosphère de la planète est diffusée et révèle la présence d’une atmosphère. De la même façon, la lumière du Soleil se colore en rouge lorsqu’elle passe de façon oblique à travers l’atmosphère terrestre au crépuscule. Les astronomes ont utilisé le spectrographe imageur du Télescope spatial Hubble (STIS) pour mesurer la quantité de lumière stellaire filtrée par l’atmosphère de la planète. Ils ont constaté une chute surprenante de l’émission d’hydrogène par l’étoile. Ce phénomène s’explique probablement par la présence d’une gigantesque atmosphère dilatée autour de la planète.

Pourquoi l’atmosphère s’échappe-t-elle ? L’atmosphère extérieure de la planète s’étend et chauffe tellement sous l’influence de la chaleur émise par son étoile, dont elle est très proche, qu’elle échappe à l’attraction gravitationnelle de la planète. Sous l’effet de la chaleur torride dégagée par l’étoile, l’hydrogène de la partie supérieure de l’atmosphère s’évapore. « L’atmosphère est chauffée, l’hydrogène échappe à l’attraction gravitationnelle de la planète, est chassée par la lumière stellaire et se transforme en panache à l’arrière de la planète, comme la queue d’une comète », explique Alain Lecavelier des Etangs, qui travaille à l’Institut d’Astrophysique de Paris. Les astronomes estiment que la quantité d’hydrogène gazeux qui s’échappe de l’atmosphère de HD 209458b est d’au moins 10 000 tonnes par seconde, et peut-être bien plus encore. C’est pourquoi cette planète a peut-être déjà perdu une grande partie de sa masse.

HD 209458b appartient à un type de planètes extrasolaires appelées les « Jupiters chauds ». Elles gravitent dangereusement près de leur étoile. Ces planètes géantes gazeuses ont dû se former aux confins glacés du système stellaire puis, en suivant un mouvement de spirale, ont atteint ces orbites proches. Cette découverte pourrait expliquer pourquoi les « Jupiters chauds » gravitent si souvent à quelques millions de kilomètres de leur étoile. Généralement, leur orbite n’est pas inférieure à 7 millions de kilomètres, comme c’est le cas pour HD 209458b. Actuellement, la distance la plus faible est de 5,7 millions de kilomètres. Les Jupiters chauds ont des périodes orbitales courtes, mais pas inférieures à 3 jours. Peut-être l’évaporation de l’atmosphère joue-t-elle un rôle en définissant une orbite minimale pour les Jupiters chauds.

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Notes aux rédactions

Le diamètre de HD 209458b est 1,3 fois celui de Jupiter, sa masse est égale aux deux-tiers de celle de Jupiter et son orbite représente un huitième de l’orbite de Mercure autour du Soleil. Son étoile est similaire à notre Soleil et la distance qui la sépare de la Terre est de 150 années-lumière. On peut la voir avec des jumelles : c’est une étoile d’une magnitude 7 appartenant à la constellation de Pégase. Cette étoile est brusquement entrée au panthéon stellaire en 1999 lorsque la planète extrasolaire HD 209458b est passée devant elle et l’a partiellement cachée. Ce fut la première détection du transit d’une exoplanète. En 2001, Hubble a détecté l’élément sodium dans la partie basse de l’atmosphère de HD 209458b, réalisant ainsi la première observation de l’atmosphère d’une exoplanète.

L’équipe comprend les astronomes suivants : A. Vidal-Madjar, responsable principal de la découverte, (Institut d’Astrophysique de Paris, CNRS, France) ; A. Lecavelier des Etangs et J.-M. Désert (Institut d'Astrophysique de Paris, CNRS, France) ; G. Ballester (Université de l’Arizona, Etats-Unis) ; R. Ferlet et G. Hébrard (Institut d'Astrophysique de Paris, France) ; et M. Mayor (Observatoire de Genève, Suisse). Avec Hubble, ils ont observé trois transits de la planète devant son étoile. Les observations de l’enveloppe d’hydrogène atomique ont été réalisées dans l’ultraviolet (raies de Lyman-alpha), à l’aide du spectrographe de Hubble (STIS). Grâce à sa position au-dessus de l’atmosphère, Hubble est le seul télescope capable, à l’heure actuelle, de réaliser ce type d’étude dans l’ultraviolet.

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Plusieurs missions scientifiques de l’ESA ont pour objectif la recherche et l’étude de planètes extrasolaires. Eddington, par exemple, qui doit être lancé en 2007, devrait découvrir un grand nombre de transits de planètes de tous types, dont des « Jupiters chauds » semblables à HD 209458b. Elles constituent le sujet idéal d’études complémentaires détaillées qui pourront être menées à l’aide de grands télescopes au sol et dans l’espace.

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