UNE COLLISION GÉANTE PEUT SAUVER L'ATMOSPHÈRE D'UNE PLANÈTE

Mesurez la taille des petites exoplanètes : elles se rangent en deux groupes, un pic vers 1,3 fois le rayon de la Terre, un autre vers 2,4 fois, avec un creux à 1,75 rayon terrestre. Les petites seraient des planètes rocheuses nues — des super-Terres. Les grandes, des sous-Neptunes, seraient des planètes rocheuses encore enveloppées de leur atmosphère primordiale (le gaz capté dans le disque de leur jeune étoile), riche en hydrogène. Certaines planètes ont donc perdu beaucoup d’hydrogène. Mais lesquelles, et comment ?

Le suspect habituel

Les planètes rocheuses de la taille de la Terre ou plus devraient subir une ou plusieurs collisions géantes à la fin de leur formation, dont certaines après la dispersion du disque de gaz qui entoure la jeune étoile. Une explication répandue des deux groupes accuse ces chocs tardifs : l’onde de choc chauffe le manteau de la planète (l’épaisse couche rocheuse entre son cœur métallique et sa surface), la surface brûlante pousse le gaz à s’échapper, et une planète dotée d’une atmosphère devient une super-Terre.

Darius Modirrousta-Galian, de l’université Jiao Tong de Shanghai, et Jun Korenaga, de l’université Yale, estiment que ce tableau oublie la moitié du bilan. Leur étude a été acceptée par la revue Nature Astronomy.

L’autre colonne du bilan

Une collision ne fait pas que chauffer une planète. Elle ajoute aussi de la masse, et toute cette masse creuse le puits gravitationnel qui retient l’atmosphère. Pendant ce temps, seule une partie de l’énergie de l’impact réchauffe vraiment le manteau :

• le cœur métallique de l’impacteur plonge à travers le manteau en y cédant peu d’énergie, et finit au fond, encore surchauffé ;
• la roche qui fond absorbe de l’énergie sous forme de chaleur latente, sans monter en température ;
• la chaleur qui atteint la surface est amortie haut dans l’atmosphère. La température des couches qui commandent l’échappement est fixée par la lumière de l’étoile, pas par le sol brûlant en dessous.

Pour une planète dont le cœur métallique fait 30 % de la masse, environ 84 % de l’énergie de l’impact va dans le manteau, en accord avec des simulations détaillées de collisions. Le gaz arraché directement par l’impacteur est peu de chose ; l’onde de choc enlève typiquement autour de 10 à 20 % de l’atmosphère. Au total, concluent les auteurs, l’emprise gravitationnelle de la planète augmente plus que son manteau ne chauffe : après le choc, l’atmosphère est mieux retenue qu’avant.

Cent millions de planètes

Pour le vérifier sur toute une population, l’équipe a simulé 100 millions de planètes, avec des répartitions réalistes de masses, de températures, de cœurs métalliques et d’atmosphères. Selon la simulation, chaque planète a 52, 63 ou 74 % de chances de subir une collision géante après la disparition du disque de gaz — des valeurs tirées de simulations de formation planétaire —, avec un impacteur pouvant atteindre la moitié de la masse finale. Le modèle suit ensuite le manteau fondu qui refroidit et l’atmosphère qui fuit, sur 5 milliards d’années.

Le résultat reproduit les deux pics observés, vers 1,3 et 2,4 rayons terrestres avec un creux à 1,75, pour toutes les recettes d’impacts testées. Deux simulations de contrôle montrent pourquoi. Sans aucun impact tardif, trop de planètes finissent nues. Avec un impact pour chaque planète, trop gardent leur hydrogène. Les chocs règlent l’équilibre en faisant franchir à des planètes un seuil de masse au-delà duquel l’hydrogène reste en place.

Plus le choc est gros, mieux l’atmosphère tient

La probabilité de perdre toute l’atmosphère diminue quand la masse de départ de la planète et la part de l’impacteur augmentent. Les auteurs ajustent une courbe simple pour la part d’impacteur à laquelle seulement 1 % des planètes perdent tout : χ = 0,58 − 0,0188 (M/M⊕)^1,794, où χ est la masse de l’impacteur divisée par la masse finale et M la masse de départ en masses terrestres. Pour une planète qui démarre à 5 masses terrestres, cela fait un impacteur d’environ un quart de la masse finale ; au-dessus de la courbe, les planètes gardent presque toujours leur atmosphère primordiale.

Des cœurs plus lourds pour les sous-Neptunes

Si les chocs aident les planètes à garder leur hydrogène, alors les sous-Neptunes ont probablement grandi par davantage de collisions et abritent des intérieurs rocheux plus massifs que les super-Terres. Les planètes déjà pesées vont dans ce sens : les sous-Neptunes dépassent environ 4 à 5 masses terrestres, les super-Terres restent en dessous. Les auteurs citent les instruments qui pourront tester l’idée — JWST, Ariel et Twinkle pour chercher l’hydrogène dans l’atmosphère des plus grosses, PLATO et JUST pour les peser, et le télescope spatial Nancy Grace Roman pour atteindre des mondes plus petits et plus lointains.