À seulement quarante années-lumière de nous, l'étoile TRAPPIST-1 est une naine rouge autour de laquelle gravitent au moins sept planètes rocheuses, aux dimensions et masses similaires à celles des planètes rocheuses de notre système solaire (Mercure, Vénus, Terre, Mars). Sa petite taille (douze rayons terrestres seulement) et sa faible luminosité (0,05 % de celle du Soleil) facilitent les observations dites de transit, au cours desquelles une planète passe devant ou derrière son étoile.

Les astronomes ont longtemps soupçonné TRAPPIST-1c, la 2^e planète la plus proche de l'étoile, d'être un analogue de Vénus car elle reçoit presque le même rayonnement stellaire et possède approximativement les mêmes diamètre et masse. Or de nombreuses étoiles du même type que TRAPPIST-1 présentent une forte activité stellaire, susceptible d'éroder les atmosphères de leurs planètes jusqu'à les faire disparaître. Est-ce le cas de TRAPPIST-1c ou bien a-t-elle échappé à ce destin ?

Pour le savoir, des astrophysiciens ont observé, à l'aide du télescope spatial Webb, les transits de la planète TRAPPIST-1c derrière son étoile, procédant de la même manière qu'une autre équipe co-dirigée par le CEA-Irfu, qui a récemment conclu à l'absence probable d'atmosphère autour de TRAPPIST-1b, la planète la plus proche de l'étoile (Fabrique de savoirs - L'exoplanète TRAPPIST-1b n'a pas d'atmosphère (cea.fr)). Lors d'une telle éclipse secondaire, la planète passe derrière l'étoile du point de vue de l'observateur. En comparant le flux lumineux avant l'éclipse (étoile + planète) et le flux pendant l'éclipse (étoile seule), les scientifiques peuvent déduire le flux émis par la planète dans une longueur d'onde donnée et calculer la température de brillance associée à cette longueur d'onde. Enfin, en comparant cette mesure aux valeurs auxquelles ils s'attendraient dans différents scénarios d'atmosphère (ou encore sans atmosphère du tout), ils peuvent ensuite estimer quel modèle explique le mieux leurs données.

Pas d'effet de serre massif

L'équipe a utilisé l'instrument MIRI dont la bande spectrale dans l'infrarouge moyen est adaptée à la détection de l'émission thermique de la planète, en combinant l'observation de quatre éclipses secondaires de TRAPPIST-1c afin d'augmenter le rapport signal sur bruit. Le filtre utilisé était centré sur 15 µm, correspondant à une longueur d'onde caractéristique de la bande d'absorption du CO₂.

Contrairement aux attentes des astronomes, la température de la face éclairée de TRAPPIST-1c n'atteint que 110 °C, soit 390 °C de moins que sur Vénus. La lumière infrarouge émise par TRAPPIST-1c n'est donc clairement pas compatible avec une atmosphère vénusienne, riche en CO₂.

« Dans le cas de TRAPPIST-1b, la température mesurée à 15 microns (230 °C) était en accord avec une planète dénuée d'atmosphère mais avec TRAPPIST-1c, la valeur mesurée, plus basse,  nous laisse espérer la présence d'une fine atmosphère composée d'un mélange d'oxygène et de carbone », se réjouit Elsa Ducrot, chercheuse à l'Irfu.

TRAPPIST-1c possèderait-elle au moins une fine enveloppe gazeuse ?

Les scientifiques ont voulu explorer cette possibilité en calculant la probabilité qu'il existe une atmosphère cohérente avec leurs observations. Dans leur modèle, l'atmosphère initiale contient du CO₂ et de la vapeur d'eau puis au fil du temps, elle s'enrichit en oxygène et ne conserve finalement que des traces de CO₂ – le rayonnement stellaire décomposant les molécules d'eau en oxygène (qui reste dans l'atmosphère) et en hydrogène (qui s'échappe progressivement dans l'espace).

D'autres observations du Webb seront nécessaires pour distinguer une planète rocheuse stérile d'une planète dotée d'une atmosphère ténue. En mesurant la lumière émise par TRAPPIST-1c dans une large gamme de longueurs d'onde, les astronomes pourraient par ailleurs détecter de petites signatures d'absorption des gaz présents dans l'atmosphère. « Par chance, nous avons obtenu du temps d'observation sur le Webb dédié à TRAPPIST-1b et 1c. Cela devrait nous permettre d'identifier de manière plus définitive si l'une des deux planètes (ou les deux !) possède une atmosphère », conclut Elsa Ducrot.