Un ballon de baudruche qu'on a oublié de nouer se dégonfle à vue d'œil. C'est à peu près le comportement de la planète GJ 3090b : son enveloppe d'hydrogène et d'hélium s'échappe dans l'espace à une vitesse qui a surpris les astronomes. La planète ne fait que deux fois la taille de la Terre, mais elle perd son gaz comme si elle avait décidé de se débarrasser au plus vite de tout ce qui est superflu.
Deux soirs de septembre 2024, l'équipe a observé GJ 3090b passer devant son étoile. Le spectrographe WINERED, monté sur le télescope Magellan II de six mètres, captait la lumière de l'étoile filtrant à travers l'atmosphère de la planète. Dans cette lumière est apparue une ombre profonde à la longueur d'onde de 10833 angströms : l'empreinte de l'hélium dans un état excité particulier. L'absorption atteignait deux pour cent, ce qui est énorme pour une si petite planète. D'ordinaire, chez les sub-Neptunes, ce signal est à peine perceptible, alors qu'ici il était si fort que sa significativité a atteint 23 sigmas.
La largeur de la raie a renseigné sur la température et la vitesse du gaz. Si l'atmosphère s'échappait lentement, comme la vapeur au-dessus d'une casserole chaude, la raie serait étroite. Or elle s'étale sur 25 kilomètres par seconde, ce qui ressemble plutôt à un jet sortant d'une bouteille de gaz comprimé. Un tel régime d'écoulement trahit une photoévaporation : le rayonnement ultraviolet et X de l'étoile chauffe les couches supérieures de l'atmosphère et les souffle littéralement au loin. Aucun décalage de la raie n'a été trouvé, ce qui signifie que le vent stellaire ne gêne presque pas le gaz dans sa fuite.
La comparaison avec les données du télescope spatial James-Webb a ajouté du piquant. Le signal de WINERED s'est révélé plus profond, de huit fois et demie l'incertitude. Ce n'est pas une erreur : l'écoulement varie d'une nuit à l'autre. La première nuit, l'absorption était de 2,03 pour cent, la seconde de 1,62. La planète respire irrégulièrement, comme un ballon d'où l'hélium sort tantôt plus vite, tantôt plus lentement.
La modélisation a permis de comprendre que les couches inférieures de l'atmosphère sont masquées par des aérosols, de minuscules particules semblables à une brume. On pensait auparavant que le spectre plat s'expliquait par une abondance d'éléments lourds, mais les calculs ont montré que la métallicité ne dépasse probablement pas cent fois la valeur solaire. Les aérosols cachent ce qui se trouve en dessous d'eux, comme un brouillard épais dissimule la route.
La planète perd son manteau gazeux des centaines de fois plus vite qu'on ne le croyait auparavant. Dans trois cents millions d'années, il ne restera d'elle qu'un noyau rocheux à nu. À l'échelle cosmique, c'est un instant. GJ 3090b est un adolescent qui traverse une phase de croissance tumultueuse, et les astronomes ont eu la chance de saisir ce moment.
Le ballon de baudruche de la première phrase ne se dégonfle pas sans raison. C'est son étoile qui le vide, et ce processus se laisse voir dans le détail grâce au spectrographe à haute résolution. Un jour, de telles observations deviendront routinières, et nous pourrons dresser un recensement des planètes qui perdent leur atmosphère. En attendant, GJ 3090b est une image rare tirée du film qui raconte comment les sub-Neptunes se transforment en super-Terres.
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.