Depuis la découverte des premières planètes extrasolaires dans les années 1990, les astrophysiciens explorent un bestiaire cosmique d’une diversité insoupçonnée. Parmi ces mondes lointains, certains défient nos modèles théoriques élaborés à partir de notre propre Système solaire. C’est précisément le cas de WASP-107b, une planète singulière située à un peu plus de deux cents années-lumière de la Terre, au cœur de la constellation de la Vierge. En analysant la lumière de son étoile filtrée par son enveloppe gazeuse, des chercheurs ont réussi une prouesse attendue depuis des décennies : déceler la signature spectrale indiscutable de l’hélium dans l’atmosphère d’une exoplanète.
WASP-107b, le colosse vaporeux de la constellation de la Vierge
Identifiée pour la première fois en 2017 grâce au programme de détection Wide Angle Search for Planets (WASP), cette géante gazeuse présente des propriétés physiques singulières. Avec un diamètre comparable à celui de Jupiter, elle ne possède pourtant qu’environ un huitième de sa masse, soit l’équivalent de celle de Neptune. Cette disproportion rarissime lui confère une densité extraordinairement faible, valant à cette catégorie d’astres le surnom évocateur de planètes « barbe à papa » ou super-bouffies. Alors que d’autres systèmes hébergent des mondes denses et compacts, à l’image d’une surprenante exoplanète riche en fer, WASP-107b flotte quasiment dans le vide spatial comme une immense bulle vaporeuse.
Pour compliquer encore sa situation, l’astre gravite à une distance infime de son étoile hôte, une naine orange de type spectral K, légèrement plus froide et plus petite que notre Soleil. WASP-107b accomplit son orbite complète en moins de six jours terrestres. Soumise à un intense rayonnement stellaire et ne possédant qu’une gravité de surface dérisoire en raison de sa faible masse, la géante ne parvient pas à retenir convenablement son manteau de gaz. Son atmosphère surchauffée se dilate de manière spectaculaire, s’échappant dans l’espace pour former une immense queue cométaire qui s’étire sur des centaines de milliers de kilomètres.
L’énigme tenace de l’hélium dans l’Univers
Sur le plan chimique, cette découverte comble un vide théorique frustrant pour la communauté astronomique. L’hélium est en effet le deuxième élément le plus abondant du cosmos après l’hydrogène, constituant une part majeure de la matière baryonique issue du Big Bang et alimentant la machinerie thermique des étoiles. Dans notre voisinage immédiat, les sondes spatiales ont révélé depuis longtemps que les géantes gazeuses en regorgent, un paramètre crucial que les agences spatiales réévaluent constamment lors de leurs projets exploratoires, à l’instar des réflexions entourant le retour d’une mission vers Saturne.
Les modèles astrophysiques prédisaient donc logiquement que les atmosphères des exoplanètes géantes devaient être saturées d’hélium. Pourtant, jusqu’aux travaux menés par l’astrophysicienne Jessica Spake de l’Université d’Exeter, toutes les tentatives pour en capter le signal s’étaient soldées par des échecs. Les études antérieures sur l’évaporation atmosphérique – notamment sur des Jupiters chauds célèbres comme HD 209458 b – reposaient quasi exclusivement sur l’observation de l’hydrogène dans le domaine ultraviolet extrême via la raie Lyman-alpha. Cette approche comporte des limites considérables : l’ultraviolet est lourdement filtré par le milieu interstellaire et absorbé par l’atmosphère de notre propre planète, contraignant les astronomes à monopoliser de rares instruments spatiaux.
Le tournant de l’infrarouge et de l’état métastable
Pour contourner cet écueil, l’équipe scientifique a imaginé une stratégie alternative. Plutôt que de traquer l’hélium dans l’ultraviolet, les chercheurs se sont tournés vers le domaine du proche infrarouge. En utilisant la caméra à grand champ (WFC3) du télescope spatial Hubble durant le transit de WASP-107b devant son étoile, ils ont traqué une raie d’absorption bien précise située à 1,083 micromètre de longueur d’onde.
Ce signal correspond à un état quantique particulier : l’hélium métastable. Dans la haute atmosphère de la planète, les photons hautement énergétiques émis par l’étoile excitent les atomes d’hélium neutre. Au lieu de retomber immédiatement à leur état fondamental, certains atomes restent piégés dans un état excité de longue durée de vie. Lorsque la lumière stellaire traverse ce voile gazeux étendu, ces atomes absorbent précisément la lumière infrarouge à 1,083 micromètre, trahissant leur présence avec une clarté remarquable. Le signal observé était si intense qu’il a permis de déduire que l’enveloppe externe de WASP-107b s’étend bien au-delà de ce que les théoriciens envisageaient, perdant chaque seconde plusieurs dixièmes de pour cent de sa masse globale par gigannée.
Une nouvelle ère pour la caractérisation des atmosphères
Loin d’être une simple curiosité de laboratoire, cette percée méthodologique modifie en profondeur la spectroscopie exoplanétaire. À la différence des rayonnements ultraviolets, le rayonnement infrarouge traverse sans encombre l’atmosphère terrestre. Les astronomes n’ont plus l’obligation absolue de recourir à des télescopes spatiaux saturés de demandes : des instruments terrestres de haute résolution, installés sur de très grands télescopes, peuvent désormais mesurer ce signal d’hélium pour des dizaines d’autres planètes.
Alors que la cosmologie scrute des monstres d’énergie comme un quasar 600 milliards de fois plus brillant que le Soleil pour sonder les confins du temps, la traque de l’hélium métastable nous éclaire sur l’évolution locale des systèmes planétaires. En mesurant le taux d’évaporation de ces atmosphères, les chercheurs peuvent comprendre comment certaines géantes gazeuses finissent par être dépouillées de leur enveloppe pour devenir de simples noyaux rocheux, appelés planètes chthoniennes. Les observations ultérieures, notamment celles menées par le télescope spatial James Webb, confirment aujourd’hui toute la fécondité de cette voie : WASP-107b continue de révéler ses secrets, abritant également du dioxyde de soufre et des nuages de silicates microscopiques, tout en consolidant son statut de laboratoire idéal de la physique atmosphérique extraterrestre.
