La science des exoplanètes est passée depuis longtemps de la « simple » détection à la caractérisation, mais celle-ci reste extrêmement difficile, avec une forte composante de modélisation et s'attache à l'étude d'une, voire quelques exoplanètes seulement.

L'étude à laquelle ont participé des chercheurs de l'Irfu porte sur les atmosphères de 25 exoplanètes – combinant la plus grande quantité de données atmosphériques à ce jour, extraites de 600 heures d'observations de Hubble et de 400 heures de Spitzer.

Les exoplanètes étudiées sont géantes, gazeuses et proches de leur étoile, et appartiennent donc à la catégorie des « Jupiters chauds », absente du système solaire.

Les astrophysiciens ont pu utiliser deux configurations favorables aux mesures atmosphériques :

• l'éclipse, où la planète passe derrière son étoile (pour les 25 exoplanètes) ;
• le transit, où elle passe devant elle (pour 17 d'entre elles).

En analysant un ensemble de planètes plutôt que chaque planète individuelle, les chercheurs se sont efforcés de saisir les processus chimiques qui régissent les atmosphères et leur formation.

Pour interpréter de manière robuste cette masse de données, ils ont développé et utilisé des outils open source spécifiques et ont pu, de cette manière, établir des corrélations entre constituants et profils thermiques atmosphériques.

D'intrigants Jupiters extra-chauds

Ainsi par exemple, ils ont identifié des « Jupiters extra-chauds », plus chauds que la plupart des étoiles (au-dessus de 2000°C), dont la température augmente avec l'altitude (« inversion thermique »).

Ces planètes se singularisent également par la présence, dans leur atmosphère, de grandes quantités de métaux sous forme gazeuse, comme le fer, le vanadium ou le titane. Ces molécules métalliques absorbent fortement la lumière de l'étoile et participent à l'échauffement de la haute atmosphère.

Les physiciens ont constaté que la présence d'oxydes et d'hydrures métalliques dans l'atmosphères de ces exoplanètes est clairement corrélée avec l'inversion thermique, selon un processus analogue à l'inversion thermique créé par la couche d'ozone dans l'atmosphère terrestre.

Des Jupiters moins chauds et plus humides

En revanche, les planètes aux températures plus modestes (de 1000 à 2000°C) ne possèdent pas de molécules métalliques gazeuses car celles-ci condensent en nuages. Leur atmosphère ne présente donc pas de profil d'inversion thermique. On y trouve souvent de la vapeur d'eau mais certaines de ces planètes ne semblent pas posséder autant d'eau que prévu. Cela pourrait indiquer qu'elles n'ont pas reçu beaucoup d'oxygène durant leur formation. Cette information apporte de nouvelles contraintes aux modèles de formation et d'évolution des planètes.

En définitive, trois classes d'exoplanètes, associées à des processus physico-chimiques communs, ont pu être identifiées.

De nombreuses questions – l'origine de l'eau sur Terre, la formation de la Lune, l'histoire de la Terre ou de Mars – restent sans réponse, même si des mesures ont pu être réalisées in situ. Les grandes études de population d'exoplanètes, comme celle-ci, pourraient un jour aider à résoudre ces énigmes.