K2-18b, une exoplanète entre monde tellurique et géante gazeuse

La détection de vapeur d’eau dans l’exoplanète K2-18b a eu un grand retentissement médiatique. Cette observation constitue une étape très importante pour l’étude des exoplanètes mais son lien avec la recherche de vie ailleurs ou l’habitabilité a été fortement exagéré par certains médias. Revenons donc sur ce fascinant système, sur cette fameuse observation et ses implications.


L’étoile K2-18 se trouve à 110 années-lumières, ce qui en fait un système relativement proche. Pour donner un ordre d’idées, il y a environ 15 000 étoiles plus proches que cela. C’est une étoile d’un type très commun, une naine rouge qui fait environ un tiers de la masse du Soleil et dont la luminosité est d’environ 3% de celle du Soleil.


Sa planète b orbite en 32 jours autour de l’étoile à une distance de 0,14 fois la distance Terre-Soleil, ce qui lui donne une insolation quasiment identique à celle de la Terre en termes énergétiques (mais pour un rayonnement beaucoup plus rouge). La planète fait entre 6 et 10 masses de la Terre et son rayon est de 2,3 fois celui de notre planète. La densité de K2-18b est donc bien trop faible pour qu’il s’agisse d’une planète rocheuse : avec ce rayon une composition terrestre impliquerait une masse supérieure à 20 fois celle de la Terre. La planète doit donc être composée en grande partie de constituants dits volatiles, formant une enveloppe fluide, dont les candidats principaux sont l’hydrogène moléculaire, l’hélium, l’eau. On appelle généralement ce type de planète un mini-Neptune, faute de meilleure terminologie. C’est un monde intermédiaire entre disons la Terre (ou Vénus) et Uranus (ou Neptune).


Cette planète s’est manifestée à nous par ses transits, c’est-à-dire que nous, observateurs, sommes dans le plan de son orbite et que, de notre point de vue, elle passe tous les 32 jours devant le disque de son étoile en faisant diminuer son éclat apparent. C’est de cette façon qu’elle a été découverte avec le télescope spatial Kepler, dans son mode d’observation K2, d’où le nom du système.


L’observation publiée récemment par deux groupes (Tsiaras et al., Benneke et al.) a été réalisée avec le télescope spatial Hubble pendant le transit de cette planète. En comparant le spectre de l’étoile durant le transit et hors transit, avec un spectromètre, ils ont analysé comment les limbes de l’atmosphère filtrent la lumière de l’étoile. Ces observations ont révélé la signature spectroscopique de la vapeur d’eau. Ce n’est pas une première, la vapeur d’eau a été ainsi mise en évidence sur plusieurs exoplanètes depuis 2007. Jusqu’à présent il s’agissait de planètes plus grosses et plus chaudes ce qui rendait l’observation plus aisée.


La présence d’une atmosphère et de vapeur d’eau sur une planète de cette densité est attendue, c’est son absence qui serait une surprise. Mais cette observation est techniquement très difficile et aurait pu être rendue impossible par la présence de nuages, l’activité de l’étoile et bien d’autres facteurs. Par ailleurs si la planète ne possédait pas d’enveloppe d’hydrogène mais uniquement des constituants plus lourds : vapeur d’eau, dioxyde de carbone, méthane,… l’atmosphère n’aurait sans doute pas pu être détectée car les limbes de l’atmosphère auraient été trop fins, comme une mince coquille d’œuf autour de la planète. L’hydrogène étant un gaz très léger, l’atmosphère est très étendue et permet de détecter les constituants mineurs qu’elle porte, dont la vapeur d’eau.


La planète K2-18b est présentée dans les deux études comme une habitable-zone planet, autrement dit une planète se situant dans la zone habitable. Cela signifie que son insolation n’interdit pas la présence d’eau liquide à sa surface pourvu toutefois que de nombreux facteurs soient favorables : la teneur en eau de la planète, la composition de l’atmosphère et la rotation de la planète, l’existence d’une surface… Cette expression a pu être mal comprise par les médias qui ont parfois parlé de planète habitable, ce qui, pour les astrophysiciens, signifierait que la planète possède effectivement de l’eau liquide à sa surface. Nous allons voir que cela semble peu probable.


Tout d’abord, compte tenu de l’insolation de la planète, nous ne savons pas si elle se situe dans cette zone habitable. Bien que son insolation soit la même que celle de la terre en termes d’énergie, le spectre de son étoile est très différent, beaucoup plus efficace pour chauffer une atmosphère. Si on plaçait la Terre à la place de K2-18b, ses océans seraient vaporisés car au lieu de réfléchir 30% de l’énergie incidente, elle en réfléchirait 3 fois moins. Certaines études proposent toutefois que si une telle planète a une rotation synchrone avec son orbite, c’est à dire, dans le cas de K2-18b, si elle tourne sur elle même en 32 jours et montre ainsi toujours la même face à son étoile, les épais nuages se formant sur l’hémisphère jour permettraient de réfléchir l’excédent de lumière et d’avoir un climat habitable. Il est très possible, en raison des marées stellaires exercées sur la planète, que celle-ci soit effectivement en rotation synchrone mais l’effet que cela aurait sur le climat d’une atmosphère de type terrestre est actuellement très débattu.
Par ailleurs, l’observation nous dit qu’on a affaire à une atmosphère riche en hydrogène et non terrestre. L’hydrogène est un gaz à effet de serre très efficace et la vapeur d’eau y étant un constituant mineur il est très peu probable que de l’eau soit présente à l’état liquide, ni à la surface de la planète, ni même sous forme de gouttelettes dans des nuages. L’une des deux études conclut à la présence probable d’eau liquide mais il est clair pour la communauté que l’argument avancé pour le démontrer est erroné.


La planète peut tout à fait être très riche en eau. Bien plus que la Terre. Neptune et Uranus le sont et il est très vraisemblable que K2-18b le soit également. Mais nos modèles – qui restent perfectibles – nous disent que cette eau n’y est jamais liquide. Elle est à l’état gazeux dans l’atmosphère, certainement aussi sous forme de particules de glaces dans la haute atmosphère. En profondeur et selon la composition, on pourrait trouver de l’eau sous forme de fluide supercritique puis de la glace d’eau mais dans des états à haute pression et haute température, différents de la glace habituelle que nous connaissons. Il est très possible que cette planète ne possède pas de surface et que l’on passe continûment de l’atmosphère externe à une enveloppe supercritique comme c’est le cas dans Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune.


Ces observations sont passionnantes et très importantes pour la planétologie comparée. Nous n’avons pas de telles planètes dans le système solaire et avons énormément à apprendre à leur sujet. K2-18b et des planètes similaires seront des cibles de choix pour les futurs télescopes spatiaux James Webb et ARIEL.

Franck Selsis, CNRS, Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux.