Planète en sursis : l'atmosphère de GJ 3470b s'évapore

Un monde en train de disparaître vu dans l'ultraviolet

Pour les astronomes observant en lumière ultraviolette, un monde de la taille de Neptune situé à quelque 96 années-lumière ressemble moins à une planète qu'à une comète. Les spectres du télescope spatial Hubble révèlent un vaste nuage d'hydrogène neutre entourant GJ 3470b, expulsé de la planète et s'écoulant dans l'espace ; le signal est si fort que les chercheurs estiment que la planète a déjà perdu une fraction considérable de sa masse originelle et s'évapore plus vite que n'importe quel autre monde comparable étudié à ce jour.

Comment le signal a été détecté

La détection provient d'observations répétées du transit de GJ 3470b devant son étoile hôte, une naine rouge, effectuées dans la raie Lyman-α de l'hydrogène dans le cadre du programme Panchromatic Comparative Exoplanet Treasury (PanCET). Les données de Hubble montrent une absorption profonde et reproductible pendant le transit : environ 35 % dans l'aile bleue de la raie et 23 % dans l'aile rouge, des signatures qui indiquent une enveloppe d'hydrogène neutre vaste et structurée s'étendant bien au-delà du lobe de Roche de la planète. Ces mesures ont permis à l'équipe de modéliser les matériaux s'échappant et d'en déduire un taux de perte d'hydrogène neutre contemporain de l'ordre de 10^10 grammes par seconde.

Physique de l'échappement : chauffage, pression de radiation et limites de Roche

Les planètes proches sont baignées par le rayonnement X et ultraviolet extrême (XUV) de leur étoile. Cette énergie chauffe la haute atmosphère, l'entraînant dans un écoulement hydrodynamique : le gaz se dilate jusqu'à ce que les particules individuelles échappent à la gravité de la planète. Pour GJ 3470b, ce processus est amplifié car le monde est de densité relativement faible et orbite autour d'une jeune naine M active, de sorte que la pression de radiation et le flux de haute énergie de l'étoile repoussent l'hydrogène neutre à des vitesses élevées. Des simulations numériques combinant l'irradiation stellaire observée avec la dynamique des particules reproduisent les signatures d'absorption de Hubble et impliquent que la planète perd de la matière bien plus rapidement que les Neptunes chaudes précédemment mesurées.

La forme de l'exosphère fournit un indice sur la dynamique

L'absorption de GJ 3470b est asymétrique en vitesse, avec des composantes décalées vers le bleu et vers le rouge. Ce profil — une aile bleue étendue indiquant des atomes accélérés s'éloignant de l'étoile et une aile rouge correspondant à un gaz dense et lent — suggère plusieurs régions dans le flux d'échappement. L'analyse privilégie une thermosphère ellipsoïdale et allongée qui peut s'étendre sur des dizaines de rayons planétaires à l'avant et à l'arrière de la planète, et pourrait inclure une couche de choc où le gaz planétaire sortant entre en collision avec le vent stellaire. Ce sont ces détails géométriques qui permettent aux astronomes de passer d'une simple détection de nuage à une estimation de l'historique de la perte de masse.

Quelle quantité a déjà disparu, et que réserve l'avenir

En projetant le taux d'échappement déduit vers le passé selon des hypothèses raisonnables sur l'activité passée de l'étoile, l'équipe estime que GJ 3470b pourrait déjà avoir perdu entre environ 4 % et 35 % de sa masse totale actuelle au cours de ses quelque deux milliards d'années d'existence — et cette fraction pourrait être plus importante si l'étoile était considérablement plus brillante en XUV durant sa jeunesse. Un échappement continu à des taux moyens comparables pourrait dépouiller la planète de la majeure partie de son enveloppe d'hydrogène en quelques milliards d'années, ne laissant derrière elle qu'un noyau rocheux beaucoup plus petit — une voie évolutive qui pourrait aider à expliquer pourquoi si peu de planètes de la taille de Neptune sont observées très près de leurs étoiles. Les calculs comportent toutefois des incertitudes substantielles : les taux de perte de masse dépendent de l'histoire incertaine de l'activité stellaire, de la composition et de la structure thermique de l'atmosphère, ainsi que des interactions avec le vent stellaire.

Contexte : le désert d'évaporation et l'évolution des populations

Les relevés d'exoplanètes ont longtemps noté une pénurie relative de planètes de taille intermédiaire à de courtes distances orbitales — une caractéristique parfois appelée le « désert d'évaporation ». Une explication est que de nombreuses Neptunes chaudes se sont formées avec d'épaisses enveloppes d'hydrogène et d'hélium, mais ont été réduites à l'état de super-Terres et de mini-Neptunes par un échappement atmosphérique soutenu. GJ 3470b se situe près du bord de ce désert, et sa perte de masse active et flagrante offre un exemple direct et observable du mécanisme d'érosion en action. La comparaison de GJ 3470b avec GJ 436b, une autre Neptune en évaporation mieux connue, montre que le comportement d'échappement peut varier considérablement entre des planètes similaires en raison des différences de densité et d'activité de l'étoile hôte.

Défis d'observation et importance de l'ultraviolet

L'étude de l'échappement de l'hydrogène repose sur la spectroscopie ultraviolette, ce qui présente une limitation observationnelle majeure : le milieu interstellaire diffuse et absorbe la raie Lyman-α, de sorte que seuls les systèmes relativement proches — à moins d'environ 150 années-lumière et avec des lignes de visée favorables — sont accessibles. La capacité ultraviolette de Hubble a donc été essentielle, et l'approche multi-époques du programme PanCET a permis de séparer les signaux planétaires de la variabilité stellaire et des effets instrumentaux. Des traceurs complémentaires, comme l'hélium observé dans l'infrarouge, contournent certaines des limitations de Lyman-α et sont accessibles à des instruments tels que le télescope spatial James Webb et des spectrographes au sol réglés sur les raies de l'hélium ; ces observations sont une priorité absolue car elles peuvent sonder des régions du flux à plus faible vitesse et aider à finaliser le bilan de la perte de masse totale.

Questions en suspens et prochaines étapes

Malgré la clarté du signal de Hubble, des incertitudes clés subsistent. Convertir un taux de perte d'hydrogène neutre mesuré en une perte de masse atmosphérique totale nécessite des hypothèses sur l'équilibre d'ionisation et la fraction d'espèces plus lourdes entraînées dans le flux sortant. L'histoire énergétique de l'étoile — sa luminosité en XUV lorsqu'elle était jeune — domine les estimations de la perte de masse intégrée et n'est contrainte qu'indirectement. À l'avenir, les astronomes prévoient un suivi multi-longueurs d'onde : des recherches d'hélium dans l'infrarouge, une surveillance ultraviolette supplémentaire pour vérifier la stabilité à long terme ou les changements liés à l'activité stellaire, et des relevés comparatifs pour élargir l'échantillon de Neptunes chaudes observées en Lyman-α. Ensemble, ces observations affineront le rôle de l'évaporation dans le façonnage des populations d'exoplanètes.

GJ 3470b est donc à la fois un laboratoire et un avertissement : sous l'influence implacable d'une étoile proche, un monde peut lentement s'effeuiller pour devenir quelque chose d'entièrement différent. Cette évolution — complexe, étendue et visible si l'on sait où regarder — pourrait être un chapitre commun dans l'histoire de nombreuses planètes orbitant autour de petites étoiles actives.

Sources

• Astronomy & Astrophysics (article de recherche : « Hubble PanCET: an extended upper atmosphere of neutral hydrogen around the warm Neptune GJ 3470b »).
• Matériel de presse de l'Université Johns Hopkins / PanCET sur les observations Hubble de GJ 3470b.
• Space Telescope Science Institute (support de mission Hubble et documentation du programme PanCET).