Un thermos au couvercle mal fermé : l'atmosphère épaisse d'une super-Terre ultra-chaude ✛
La super-Terre ultra-chaude TOI-561 b fait le tour de son étoile en 10,7 heures. C'est une boule de roche incandescente, si proche de son étoile que son côté diurne devrait chauffer jusqu'à 2950 K, une température à laquelle fondent de nombreux minéraux. Mais lorsque le télescope spatial James Webb a observé ce côté, il n'a pas vu une roche nue rayonnante de chaleur, mais quelque chose de nettement plus frais : 1800–2150 K. Une différence de mille degrés, ce n'est pas une erreur de mesure. C'est la trace d'une atmosphère épaisse qui fonctionne comme un thermos au couvercle mal fermé : elle retient la chaleur, mais ne laisse pas la surface surchauffer.
Les astronomes se demandent depuis longtemps si les planètes à période ultra-courte (avec une période orbitale inférieure à un jour) peuvent retenir des volatils, comme l'eau, l'oxygène ou le dioxyde de carbone. La logique suggérait qu'avec une telle irradiation, l'atmosphère devrait s'évaporer en quelques millions d'années. Mais TOI-561 b, avec sa densité anormalement basse de 4,3 g/cm³ (soit 0,68 de celle de la Terre pour la même masse), laissait entrevoir autre chose. Désormais, les observations de l'éclipse secondaire, le moment où la planète passe derrière son étoile, ont apporté une réponse directe. Le spectre de l'émission diurne dans la gamme 3–5 μm ne ressemble ni à une roche nue, ni à une fine atmosphère de vapeur rocheuse. Il correspond à une enveloppe dense de vapeur d'eau ou d'un mélange d'eau et d'oxygène. Le dioxyde de carbone convient moins bien : sa bande d'absorption à 4,5 μm n'apparaît pas dans les données.
La clé de l'énigme est l'océan de magma. Sous l'effet d'un rayonnement monstrueux, la surface de la planète fond et se transforme en une couche globale de roche en fusion. Cet océan agit comme un réservoir : il absorbe les volatils des profondeurs et les libère lentement dans l'atmosphère, limitant leur perte dans l'espace. C'est ainsi qu'un thermos au couvercle mal fermé empêche l'eau bouillante de s'évaporer instantanément : la vapeur s'échappe, mais lentement, et la température intérieure reste élevée. Pour TOI-561 b, cela signifie que même après 10 milliards d'années d'évolution stellaire, l'atmosphère n'a pas complètement disparu.
Cette découverte change notre vision de la « ligne de rivage cosmique », cette frontière empirique qui, pensait-on, séparait les planètes avec atmosphère des roches nues. Auparavant, TOI-561 b aurait dû se trouver de l'autre côté, sans atmosphère. Désormais, il est clair que cette frontière n'est pas universelle. De plus, le résultat confirme que les océans de magma peuvent être des réservoirs durables de volatils, ce qui signifie que même les planètes rocheuses les plus irradiées ont une chance de conserver une enveloppe. La suite consistera à analyser la courbe de phase complète pour comprendre comment la chaleur est transportée vers le côté nocturne, et à comparer avec des planètes autour d'étoiles de compositions chimiques différentes. Peut-être sommes-nous au seuil d'un nouveau chapitre dans l'étude de la géophysique des mondes lointains : leurs atmosphères nous renseigneront sur la composition des intérieurs, l'histoire de leur formation et même sur la naissance et la mort des systèmes planétaires.
TOI-561 b orbite autour d'une étoile environ deux fois plus âgée que le Soleil, avec environ 10 milliards d'années. La planète est si proche de son étoile que son année ne dure que 10,7 heures, et son côté diurne est chauffé à la température de fusion de nombreux minéraux.