Proxima b, une exoplanète recouverte d’un océan ?

Jeudi, 6 octobre 2016

Une exoplanète rocheuse et d’une masse proche de celle de la Terre a récemment été détectée autour de Proxima du Centaure, l’étoile la plus proche de notre Soleil. Cette planète, baptisée Proxima b, se trouve sur une orbite qui lui permettrait d’avoir de l’eau liquide à sa surface, soulevant ainsi la question de son habitabilité. Dans une étude à paraitre dans The Astrophysical Journal Letters, une équipe internationale dirigée par des chercheurs du Laboratoire d’astrophysique de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université) vient de déterminer ses dimensions et les propriétés de sa surface, qui, dans certains cas, favoriseraient effectivement son habitabilité. Selon elle, cette planète pourrait être de type « planète océan », avec un océan recouvrant toute sa surface, et une eau semblable à celle de certaines lunes glacées autour de Jupiter ou Saturne. A l'opposé, il est aussi possible que la composition de Proxima b ressemble plutôt à celle de Mercure, avec un noyau métallique représentant les deux tiers de la masse de la planète. Ces résultats serviront de base aux futures études visant à déterminer l’habitabilité de Proxima b.

Proxima du Centaure, l'étoile la plus proche du soleil, abrite un système planétaire composé d'au moins une planète. C'est en analysant et complétant d'anciennes observations qu'une telle découverte a récemment été faite, marquant ainsi le domaine de la recherche d'exoplanètes. Ces nouvelles mesures ont montré que cette planète, nommée Proxima Centauri b – ou plus simplement Proxima b –, possède une masse minimale proche de celle de la Terre (1,3 fois cette dernière) et orbite autour de son étoile à une distance de 0,05 unités astronomiques (soit un dixième de la distance Soleil-Mercure). Contrairement à ce que l'on pourrait penser, une distance aussi faible n'implique pas une température élevée à la surface de Proxima b. Comme Proxima du Centaure est une naine rouge, sa masse et son rayon ne correspondent qu'à un dixième de ceux du Soleil, et sa luminosité est mille fois plus faible que notre étoile. A une telle distance, Proxima b se trouve donc dans la zone habitable de son étoile. Elle est susceptible d'abriter de l'eau liquide à sa surface et donc d'abriter des formes de vie.


Figure 1 – Diagramme masse-rayon comparant les positions de plusieurs exoplanètes connues à celles de planètes du système solaire. Les courbes correspondent à certaines compositions spécifiques utilisées dans le modèle de structure interne. La zone d’existence de Proxima b, dessinée en gris, prend en compte l’incertitude sur sa masse minimale et ses différentes compositions possibles. La masse réelle de Proxima b peut aussi se trouver au-delà de cette zone grisée.


Cependant on sait très peu de choses sur Proxima b, en particulier son rayon demeure inconnu. Il est donc impossible de savoir à quoi ressemble la planète, ni de quoi elle est composée. La mesure du rayon d'une exoplanète s'effectue généralement lors d'un transit, où cette dernière éclipse son étoile. Mais un tel événement a une faible probabilité (1,5%), et plusieurs observations de l'étoile ne montrent en effet aucun signe de transit.

Il existe un autre moyen pour estimer le rayon d'une planète si l'on connaît sa masse, en simulant le comportement des matériaux qui la composent. C'est la méthode utilisée par une équipe de chercheurs Franco-Américaine issue du Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université) et du Département d’Astronomie de l’Université de Cornell. Avec l'aide d'un modèle de structure interne, ils ont exploré les différentes compositions que Proxima b pourrait présenter et en ont déduit les valeurs correspondantes du rayon de la planète. Ils ont restreint leur étude au cas de planètes potentiellement habitables en simulant des planètes denses et solides, formées d'un noyau métallique et un manteau rocheux comme dans les planètes telluriques du système solaire, tout en autorisant l'incorporation d'une importante masse d'eau dans leur composition.


Figure 2 – Comparaison des deux cas extrêmes obtenus pour Proxima b avec la Terre. Ce schéma montre la structure interne de chaque planète. De gauche à droite : Proxima b avec le plus petit rayon atteignable (65% de noyau métallique, entouré d’un manteau rocheux séparé en deux phases), la Terre (idem avec 32,5% de noyau), et Proxima b avec le plus grand rayon autorisé (50% de manteau rocheux entouré d’une couche d’eau sous forme solide puis liquide).

Ces hypothèses autorisent une grande diversité de compositions pour Proxima b, le rayon de la planète pouvant varier entre 0,94 et 1,40 fois le rayon de la Terre (6371 km) pour la masse minimale de cette planète. L’étude montre ainsi que Proxima b possède un rayon minimum de 5990 km, et que la seule manière d'obtenir cette valeur est d'avoir une planète très dense, composée d'un noyau métallique d’une masse valant 65% de celle de  la planète, le reste étant un manteau rocheux (formé de silicates) présent jusqu'en surface. La frontière entre ces deux matériaux est alors située à environ 1500 km de profondeur. Avec une telle composition, Proxima b serait très proche de la planète Mercure, qui présente elle aussi un noyau métallique très massif. Ce premier cas n'exclut cependant pas la présence d'eau à la surface de la planète, comme sur Terre où la masse d'eau ne dépasse pas 0,05% de la masse de la planète. A l'opposé, Proxima b peut aussi présenter un rayon maximal de 8920 km, à condition qu'elle soit composée à 50% de roches entourées de 50% d'eau. Dans ce cas, Proxima b serait recouverte d'un unique océan liquide de 200 km de profondeur. En-dessous, la pression serait tellement forte que l'eau liquide se transformerait en glace à haute pression, avant d'atteindre la limite avec le manteau à 3100 km de profondeur. Dans ces deux cas extrêmes, une fine atmosphère gazeuse pourrait englober la planète, comme sur Terre, rendant Proxima b potentiellement habitable.

De tels résultats apportent des informations complémentaires importantes aux différents scénarios de formation qui ont été proposés pour Proxima b. Certains impliquent une planète complètement sèche, tandis que d'autres autorisent la présence d'une quantité significative d'eau dans sa composition. Les travaux de l'équipe de chercheurs permettent d'avoir une estimation du rayon de la planète dans chacun de ces scénarios. De même, cela permet de restreindre la quantité d'eau disponible sur Proxima b, qui est sujette à une évaporation sous l'influence des rayons ultraviolets et X de l'étoile hôte, qui sont beaucoup plus violents que ceux issus du Soleil.

De futures observations de Proxima du Centaure permettront d'affiner cette étude à l’avenir en précisant la masse de la planète. Par ailleurs, la mesure des abondances stellaires en éléments lourds (Mg, Fe, Si…) diminuera le nombre de compositions possibles pour Proxima b, permettant une détermination encore plus précise du rayon de Proxima b.

Contacts chercheurs Aix-Marseille Université :
Bastien Brugger, + 33 4 91 05 69 82, + 33 6 84 06 72 26, bastien [dot] brugger [at] lam [dot] fr
Olivier Mousis, + 33 4 91 05 59 18, + 33 6 60 85 33 92, olivier [dot] mousis [at] lam [dot] fr
Magali Deleuil, + 33 4 91 05 59 29,  + 33 6 19 64 44 41, magali [dot] deleuil [at] lam [dot] fr

Source(s): 

Possible internal structures and composition of Proxima Centauri b, Bastien Brugger, Olivier Mousis, Magali Deleuil & Jonathan I. Lunine. The Astrophysical Journal Letters, sous presse.

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