Les sub-Neptunes, planètes dont le rayon va de deux à quatre rayons terrestres, constituent la majorité des mondes à courte période de la Galaxie, mais leur structure et leur évolution restent débattues. Les observations de transits dans la raie de l'hélium métastable (He*) permettent de suivre directement la perte d'atmosphère, et la largeur de la raie distingue la photoévaporation d'une perte de masse due à la chaleur du cœur. Ce travail s'inscrit dans la série d'études récentes consacrées aux atmosphères des sub-Neptunes et des exoplanètes avec des télescopes spatiaux et au sol, mais il se distingue par une profondeur de signal record et par son lien avec le jeune âge du système. GJ 3090b avait déjà été étudiée avec JWST et le VLT, mais c'est la haute résolution spectrale de WINERED qui a permis de voir des détails de l'écoulement jusqu'alors inaccessibles.
Les observations ont été menées sur le télescope Magellan II de 6,5 mètres avec le spectrographe infrarouge WINERED, qui offre une résolution d'environ 68 000. Deux transits consécutifs de GJ 3090b ont été enregistrés en septembre 2024, fournissant 64 et 80 spectres par nuit. Les données ont été traitées avec la chaîne de traitement WARP, corrigées des différences systématiques entre les positions du télescope, et un modèle de l'étoile a été construit à partir des images hors éclipse. Le signal dans la raie de l'hélium a ensuite été décrit par un modèle de trois gaussiennes partageant un même décalage et une même largeur, le bruit étant pris en compte par un processus gaussien. Pour interpréter l'écoulement, deux modèles hydrodynamiques indépendants ont été utilisés : sunbather et pyTPCI, qui calculent différemment le chauffage et l'accélération du gaz.
L'absorption maximale dans la raie de l'hélium a atteint 2,033±0,086 % lors de la première nuit et 1,619±0,122 % lors de la seconde, ce qui correspond à des significativités de 23,6σ et 13,3σ. C'est bien plus profond que les signaux typiques des sub-Neptunes, et cela équivaut à une couche opaque située à près de quatre rayons planétaires. La largeur de raie d'environ 25 km/s indique un flux chaud de photoévaporation, et non un vent lent dû à la chaleur du cœur. Aucun décalage de la raie n'a été détecté, ce qui suggère l'absence d'une forte interaction avec le vent stellaire. La comparaison avec les données JWST/NIRISS révèle un écart de 8,5σ : le signal de WINERED est plus profond, ce qui confirme la variabilité de l'écoulement. La modélisation montre que la métallicité de l'atmosphère ne dépasse pas environ cent fois la valeur solaire, et que la perte de masse atteint 10^11 grammes par seconde.
Ce travail démontre pour la première fois qu'un sub-Neptune d'environ deux rayons terrestres peut connaître un écoulement de photoévaporation aussi puissant, remplissant plus de la moitié de la cavité de Roche. Cela le distingue des études voisines, où les signaux d'hélium étaient plus faibles ou ambigus, et souligne l'intérêt d'une haute résolution spectrale pour les petites planètes. La mise en évidence d'une couverture d'aérosols plutôt que d'une forte métallicité lève une ambiguïté ancienne dans l'interprétation des spectres plats de la basse atmosphère de GJ 3090b. En outre, l'estimation d'une durée de vie de l'enveloppe de seulement 300 millions d'années range la planète dans la catégorie des « adolescents » traversant une phase critique de leur évolution, ce qui compte pour comprendre la formation de la vallée des rayons.
Le sujet pourrait évoluer vers un relevé systématique des sub-Neptunes avec WINERED : le consortium prévoit de mesurer l'absorption de l'hélium chez plus de trente objets avec une précision de 0,2 %. Cela permettra de séparer statistiquement les contributions de la photoévaporation et de la perte de masse due à la chaleur du cœur dans la formation de la vallée des rayons. De nouvelles observations de GJ 3090b, en particulier lors d'éruptions stellaires, aideront à comprendre comment le rayonnement variable de l'étoile pilote l'écoulement. La combinaison de données à haute et à basse résolution, par exemple JWST et des spectrographes au sol, deviendra la norme pour tester les modèles d'évolution atmosphérique.
Les résultats influeront sur les modèles d'évolution des petites exoplanètes et sur l'interprétation des spectres de sub-Neptunes obtenus par JWST. Ils sont également importants pour planifier les futurs relevés de perte atmosphérique chez les planètes dont le rayon va de un et demi à quatre rayons terrestres.
La prochaine étape consiste à observer d'autres transits de GJ 3090b pour confirmer la variabilité de l'écoulement et préciser sa géométrie. En parallèle, le consortium continuera d'accumuler des statistiques sur d'autres sub-Neptunes afin d'établir un lien entre le taux de perte de masse et les propriétés de la planète.
Ce travail touche directement à la question non résolue de l'origine de la vallée des rayons : quels mécanismes de perte atmosphérique, et dans quelles proportions, transforment les sub-Neptunes en super-Terres. Il contribue aussi au problème de l'interprétation des spectres de transmission plats, où l'on ne sait toujours pas ce qui prime : une forte métallicité ou les aérosols. Enfin, la variabilité du signal d'hélium relie cette étude au rôle encore mal connu de l'activité stellaire dans l'évolution des atmosphères.
La raie de l'hélium à 10833 angströms est si sensible aux conditions régnant dans les couches supérieures de l'atmosphère qu'on la surnomme parfois « le thermomètre des gaz qui s'échappent ». Chez GJ 3090b, elle s'est révélée si profonde que la planète ressemble à une miniature de géante gazeuse en train de perdre sa matière, alors qu'elle ne fait que deux fois la taille de la Terre.
La perte rapide de son atmosphère par un jeune sub-Neptune fait écho au destin de la planète Kamino dans l'univers de Star Wars, dont le monde océanique devient peu à peu inhabitable à cause des changements climatiques. Dans la réalité, GJ 3090b ne perd pas de l'eau mais une enveloppe d'hydrogène et d'hélium, même si le motif de la « planète au seuil de changements irréversibles » reste reconnaissable.