Il y a beaucoup moins d’eau à la surface des planètes lointaines en dehors de notre système solaire que ce que l’on pensait jusqu’à présent. Ces exoplanètes n’ont pas d’épaisses couches d’eau, comme on l’a souvent spéculé. C’est ce que montre une étude internationale menée sous la direction de l’EPF de Zurich.
Une exoplanète orbitant autour d’une étoile naine à 124 années-lumière de la Terre a fait la une des journaux du monde entier en avril 2025. Des chercheurs de l’université de Cambridge, en Grande-Bretagne, ont rapporté que la planète K2-18b pourrait être un monde aquatique avec un océan global profond et plein de vie. Mais une étude montre aujourd’hui que les soi-disant sous-neptunes comme K2-18b ne sont très probablement pas des mondes dominés par l’eau et qu’il n’y règne guère de conditions favorables à la vie. "La présence d’eau sur les planètes est beaucoup plus limitée que ce que l’on pensait jusqu’à présent", explique Caroline Dorn, professeur d’exoplanètes à l’ETH Zurich.
L’étude a été menée sous la direction de l’ETH Zurich en collaboration avec des chercheurs de l’Institut Max Planck pour l’astronomie à Heidelberg et de l’Université de Californie à Los Angeles. K2-18b est plus grande que la Terre, mais plus petite que Neptune et fait donc partie d’une classe de planètes absentes de notre système solaire. Cependant, les observations montrent qu’elles sont fréquentes dans l’espace. Certaines de ces sous-Neptunes se sont probablement formées loin de leur étoile centrale - au-delà de la ligne de neige, où l’eau gèle en glace - et ont ensuite migré vers l’intérieur.
Jusqu’à présent, on pensait que certaines de ces planètes avaient pu accumuler une quantité d’eau particulièrement importante lors de leur formation et qu’elles abritaient aujourd’hui des océans globaux et profonds sous une atmosphère riche en hydrogène. Les spécialistes parlent de planètes hycéennes - une combinaison de "Hydrogène" pour hydrogène et "Océan" pour océan.
Tenir compte de la chimie
"Nos calculs montrent que ce scénario n’est pas possible", explique Dorn. En effet, une faiblesse fondamentale des études précédentes était qu’elles ne tenaient pas compte de tout couplage chimique entre l’atmosphère et l’intérieur de la planète. "Nous avons maintenant pris en compte les interactions entre l’intérieur de la planète et l’atmosphère", explique Aaron Werlen, chercheur dans l’équipe de Dorn et premier auteur de l’étude publiée dans la revue The Astrophysical Journal Letters.
Les chercheurs supposent qu’à un stade précoce de leur formation, les sous-neptunes sont passées par un état où elles étaient recouvertes d’un océan de magma profond et chaud. Au-dessus, une enveloppe de gaz hydrogène a permis de maintenir cette phase pendant des millions d’années.
"Dans notre étude, nous avons examiné comment les interactions chimiques entre l’océan de magma et l’atmosphère affectent la teneur en eau des jeunes exoplanètes sub-Neptune", explique Werlen.
Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé un modèle existant qui décrit l’évolution des planètes sur une période donnée. Ils l’ont combiné avec un nouveau modèle qui calcule les processus chimiques qui se produisent entre le gaz de l’atmosphère et les métaux et silicates du magma.
L’eau disparaît à l’intérieur
Les chercheurs ont calculé l’état d’équilibre chimique de 26 composants différents pour un total de 248 planètes modèles. Les simulations informatiques ont montré que les processus chimiques détruisent la plupart des molécules d’eau H2O. L’hydrogène (H) et l’oxygène (O) se fixent sur des composés métalliques et ceux-ci disparaissent en grande partie dans le noyau de la planète.
Même si la précision de tels calculs se heurte à des limites, les chercheurs sont convaincus de leurs résultats. "Nous nous focalisons sur les grandes tendances et voyons clairement dans les simulations que les planètes ont beaucoup moins d’eau qu’elles n’en ont accumulé au départ", explique Werlen : "L’eau qui reste effectivement présente à la surface sous forme de H2O est limitée à quelques pourcents au maximum"
Dans une publication précédente, le groupe de Dorn avait déjà pu montrer comment la majeure partie de l’eau d’une planète se cachait à l’intérieur. "Dans l’étude actuelle, nous avons analysé la quantité totale d’eau présente sur ces sous-neptunes", explique la scientifique : "D’après les calculs, il n’existe pas de mondes lointains avec des couches d’eau massives dans lesquelles l’eau représente environ 50 pour cent de la masse de la planète, comme on le pensait jusqu’à présent. Les mondes hycéens avec 10 à 90 pour cent d’eau sont donc très improbables"
La recherche de vie extraterrestre s’avère donc plus difficile qu’espéré. Car des conditions favorables à la vie, avec suffisamment d’eau liquide à la surface, n’existent probablement que sur des planètes plus petites, qui ne pourront sans doute être observées qu’avec des observatoires encore plus performants que le télescope spatial James Webb.
La Terre n’est pas un cas particulier
En revanche, Dorn trouve particulièrement passionnant le rôle de notre Terre au regard des nouveaux calculs. Ceux-ci montrent que la plupart des mondes lointains ont des proportions d’eau similaires à celles de notre planète. "La Terre n’est peut-être pas aussi exceptionnelle que nous le pensons. Dans notre étude, elle apparaît en tout cas comme une planète typique", dit-elle.
Les chercheurs ont en outre été surpris par une différence apparemment paradoxale : les planètes ayant les atmosphères les plus riches en eau ne sont pas celles qui ont accumulé le plus de glace au-delà de la ligne de neige, mais celles qui se sont formées à l’intérieur de la ligne de neige. Ici, ce ne sont pas les cristaux de glace qui ont fourni l’eau, mais celle-ci a été produite chimiquement par la réaction de l’hydrogène dans l’atmosphère de la planète avec l’oxygène provenant des silicates de l’océan de magma, ce qui a donné naissance à des molécules d’H2O.
"Ces découvertes remettent en question le lien classique entre une formation riche en glace et des atmosphères riches en eau. Elles soulignent au contraire le rôle dominant de l’équilibre entre l’océan de magma et l’atmosphère dans la formation de la composition de la planète", conclut Werlen. Cela aura des répercussions importantes sur les théories de formation des planètes et sur l’interprétation des atmosphères des exoplanètes à l’ère du télescope James Webb.
Référence bibliographique
Werlen A, Dorn C, Burn R, Schlichting H, Grimm S, Young E : Sub-Neptunes Are Drier Than They Seem : Rethinking the Origin of Water-Rich Worlds. The Astrophysical Journal Letters 2025, doi : 10.3847/2041-8213/adff73
