En juin 2023, plus de 5 390 exoplanètes sont connues de la Noosphère mais elles contiennent encore bien des secrets, comme leur structure et leur origine. Parmi elles, les mini-Neptunes sont encore bien mystérieuses mais, grâce au satellite Cheops de l’Esa, on progresse dans la résolution des énigmes qu’elles posent.
Dans l’interview au sujet de son livre Seuls dans l’Univers – De la diversité des mondes à l’unicité de la vie, publié en septembre 2022 aux Éditions Odile Jacob, Jean-Pierre Bibring, le responsable scientifique de Philae — le module qui s’est posé à la surface de la comète 67P/Tchourioumov-Guérassimenko dans le cadre de la mission Rosetta de l’ESA —, soutenait la thèse souvent appelée de « La Terre rare ». Notre Planète bleue et sa biosphère seraient le produit d’un enchainement d’événements tellement contingents et dépendant du contexte astrophysique et cosmochimique de leur naissance que les chances de trouver une exoterre dans la Voie lactée au moins seraient nulles.
Ce n’est pas l’avis de Nathalie Cabrol, directrice du centre Carl Sagan pour l’étude de la vie dans l’Univers de l’Institut Seti, dans son dernier livre « À l’aube de nouveaux horizons » paru en janvier 2023 aux Éditions Seuil.
Laquelle de ces deux thèses est la bonne ? Nous ne le savons pas encore même si l’Institut Seti a lancé récemment une sorte de simulation de l’arrivée d’un message en provenance d’une civilisation extraterrestre technologiquement avancée en invitant tous les membres de la noosphère à décoder ce message.
Une des stratégies pour tenter de trancher le débat est d’explorer le monde des exoplanètes pour répondre à des questions comme Comment se forment-elles ? Quelles sont leurs caractéristiques ? Et en particulier quelles sont les compositions des atmosphères des exoplanètes potentiellement habitables, quand elles en ont ?
Des mini-Neptunes tièdes découvertes par transits planétaires
Nous connaissons l’existence de milliers d’exoplanètes grâce à des missions comme Kepler et Tess, mais leurs rayons et masses ne sont pas encore suffisamment évalués avec précision pour en tirer des conclusions importantes et c’est pourquoi la mission Cheops (CHaracterising ExOPlanet Satellite) a été lancée par l’Esa. Elle la présente comme « la première mission spatiale dédiée à l’étude d’étoiles brillantes proches déjà connues pour héberger des exoplanètes, afin d’effectuer des observations de haute précision de la taille de la planète lorsqu’elle passe devant son étoile hôte. Elle se concentre sur les planètes dont les tailles vont de la super-Terre à Neptune, ses données permettant de dériver la densité apparente des planètes — une première étape de caractérisation vers la compréhension de ces mondes extraterrestres ».
L’Esa vient de faire savoir que Cheops avait confirmé l’existence de quatre mini-Neptunes intéressantes. Il s’agit d’exoplanètes dont les tailles sont comprises entre celle de la Terre et celle de Neptune, et dont les origines et les caractéristiques ne sont pas encore bien comprises, notamment parce que nous n’en avons aucun exemple dans le Système solaire. Plusieurs articles accompagnent le communiqué de l’Esa au sujet de ces mini-Neptunes, comme celui publié dans la célèbre revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, et présentent ces exoplanètes comme « tièdes » car moins proches de leur soleil que les fameuses Jupiter chaudes, les premières exoplanètes découvertes autour d’étoiles sur la séquence principale.
Le communiqué de l’Esa explique aussi que « les mini-Neptunes sont des objets mystérieux. Elles sont plus petites, plus froides et plus difficiles à trouver que les Jupiter chaudes qui ont été trouvées en abondance. Alors que les Jupiters chaudes orbitent autour de leur étoile en quelques heures à quelques jours et ont généralement des températures de surface supérieures à 1 000 °C, les mini-Neptunes tièdes mettent plus de temps à orbiter autour de leur étoile hôte et ont des températures de surface plus froides, d’environ 300 °C seulement ».
Des structures internes et des origines encore mystérieuses
Le fait que les 4 mini-Neptunes transitent devant leur soleil, ce que Cheops confirme en livrant une estimation plus précise de leur diamètre, permet aussi de lever l’ambigüité bien connue de la détermination des masses des exoplanètes par la méthode des vitesses radiales.
En obtenant au final une détermination plus précise des densités de ces astres, nous progressons dans l’élucidation de la composition des mini-Neptunes. Les planétologues sont raisonnablement sûrs qu’elles doivent posséder un noyau ferro-rocheux avec des couches externes épaisses de matériau plus léger. Mais différentes théories prédisent différentes couches externes de sorte que l’on est finalement confronté aux questions suivantes : ces exoplanètes ont-elles des océans profonds d’eau liquide, une atmosphère gonflée d’hydrogène et d’hélium ou une atmosphère de vapeur d’eau pure ?
Les réponses à ces questions ne sont pas les mêmes selon que les mini-Neptunes se sont formées proches de leur étoile hôte ou non. Ainsi, formées à grandes distances, elles seront riches en eau, ayant migré à partir de région où l’accrétion planétaire s’est conduite avec des matériaux riches en glace.
À l’inverse, une composition avec essentiellement un noyau rocheux et une enveloppe d’hydrogène et d’hélium indiquerait une formation à une distance assez proche à leur soleil de celle que l’on observe déjà pour certaines mini-Neptunes.
Il n’y a pas encore de réponses claires à ce sujet mais les informations collectées vont servir à contraindre les modèles de formation planétaire, y compris ceux du Système solaire. Enfin, les atmosphères potentielles des mini-Neptunes de Cheops sont des cibles pour déterminer leurs compositions chimiques qui sont à la portée du James-Webb.