Les sous-Neptunes, les non-pareils de l’Univers

Depuis 2024, les astronomes pensaient avoir levé le voile sur le mystère entourant la composition des sous-Neptunes. Avec une taille entre la Terre et Neptune, ces exoplanètes sont les plus communes au-delà du système solaire. La théorie proposée, appelée température-séquence, est une corrélation simple entre la température de ces exoplanètes et la présence de brume dans leur atmosphère. Plus particulièrement, l’atmosphère des sous-Neptunes froides, dites tempérées, ne contient aucune brume.

Mais le dernier article de Pierre-Alexis Roy, post-doctorant en astrophysique à l’Université de Californie à Los-Angeles, accepté dans Nature Astronomy en octobre 2025, remet en question cette nouvelle règle. En effet, l’observation de l’atmosphère brumeuse de l’exoplanète LP 791-18c, une planète gazeuse tempérée à 86 années-lumière de la Terre, va à l’encontre de cette température-séquence. Cette découverte révèle que seule la règle de l’exception semble dicter la composition des sous-Neptunes.

Quand l’exception chamboule la règle

Publiée en 2024 dans The Astrophysical Journal Letters, la théorie de la température-séquence propose que les sous-Neptunes tempérées présentent une atmosphère claire, riche en dioxyde de carbone (CO₂) où l’eau se condense en profondeur ; celles de température intermédiaire sont brumeuses car l’eau gazeuse se mélange avec les autres gaz de l’atmosphère ; enfin, les plus chaudes redeviennent claires, la température extrême empêchant la condensation.

D’abord observées avec le télescope spatial Hubble puis avec son successeur James Webb, lancé en 2021, les exoplanètes tempérées K2-18b et TOI 270 confirment cette corrélation. Mais, une sous-Neptune similaire, LP 791-18c, s’est révélée bien différente. « Au contraire, nous avons découvert beaucoup de nuages qui créent beaucoup d’opacité », explique Pierre-Alexis Roy. L’atmosphère de cette exoplanète, remplie de brume et pauvre en CO₂, est typique de celle d’une sous-Neptune plus chaude.

Selon lui, la composition de l’atmosphère est liée à un autre facteur que la température. Il explique que lors de son évolution, l’exoplanète s’est approchée de son étoile dont les particules de lumière ont réagi avec l’atmosphère de la planète, la rendant brumeuse.

Plusieurs scénarios possibles

Dans sa thèse en astrophysique soutenue en août 2025, Pierre-Alexis Roy tente de « faire le lien entre ce qu’on observe dans l’atmosphère et ce que ça peut nous dire sur l’intérieur, la formation et l’évolution de la planète ». En s’intéressant à plusieurs sous-Neptunes, il montre qu’une seule combinaison d’informations sur l’exoplanète (composition atmosphérique, rayon, masse et température) mène vers plusieurs scénarios de formation et d’évolution.

Par exemple, des sous-Neptunes denses, comme TOI-824b, plus massives que Neptune se situent très proches de leur étoile. Elles ont une atmosphère si mince qu’elles laissent voir se qu’il se cache dans les couches plus basses. Le chercheur propose plusieurs scénarios : soit la planète n’a simplement pas accumulé assez de gaz lors de sa formation, soit il s’agit une ancienne planète gazeuse ayant perdu son atmosphère lors d’impacts géants.

Les mondes d’eau, tels que GJ-9827d ou K2-18b, contiennent une grande quantité d’eau dans leur atmosphère. Formés loin de leur étoile où l’eau est disponible sous forme de glace, leur évolution suit plusieurs scénarios possibles. Dans un cas, lors de son déplacement vers son étoile, le haut de l’atmosphère s’est aminci, laissant apparaître une couche riche en eau. Dans un autre cas, l’eau, emprisonnée au cœur de l’exoplanète lors de sa formation, s’est libérée dans l’atmosphère lors de fortes éruptions volcaniques. 

 Comprendre la formation des planètes

L’étude des atmosphères des sous-Neptunes révèle une diversité insoupçonnée prouvant que les planètes ne suivent pas qu’un seul mécanisme de formation et d’évolution. Ces mondes lointains défient les astronomes, remettant en question chaque nouvelle théorie, telle que la température-séquence. De plus, cette catégorie d’exoplanètes est beaucoup plus complexe que les planètes du voisinage. La combinaison des informations de masse, de rayon, de température et de composition des atmosphères amène bien souvent à plus de nouvelles questions que de réponses.

Malgré tout, les sous-Neptunes donnent aux astronomes les clés pour mieux comprendre l’unicité du Système Solaire et des pistes pour rechercher des traces de vie. Là est le coeur de cette quête. Mais la technologie actuelle ne permet pas encore d’identifier et de comprendre efficacement les petites planètes comme la Terre, orbitant autour d’une étoile massive, où pourrait se cacher la vie. Cependant, les sous-Neptunes, plus grosses et gravitant autour de petites étoiles, sont plus faciles à observer. « Ce qui fait en sorte que s’il y a de la vie sur une autre planète, on risque de la trouver plutôt sur les sous-Neptunes que sur les super-Terres », conclut Pierre-Alexis Roy.

Comment analyser les atmosphères des exoplanètes ? Les sous-Neptunes n’ont aucun équivalent dans le Système Solaire et se distinguent par leur rayon entre 1.7 et 4 fois celui de la Terre. Elles sont très nombreuses et plus faciles à observer que de petites planètes comme la Terre. Pour des exoplanètes ressemblant à celles du système solaire, les informations de masse, rayon et température suffisent pour déterminer leur composition interne. À partir de ces données, les astronomes proposent des scénarios de formation et d’évolution pour ces planètes. Cependant, les sous-Neptunes ne semblent pas suivre les mêmes règles. Une nouvelle information est donc nécessaire, la composition de leur atmosphère, pour aider à déduire de nouveaux scénarios de formation et d’évolution. Pour déterminer la “carte d’identité” des atmosphères, les astronomes utilisent la technique de spectroscopie de transit. Lors de son passage devant son étoile, l’atmosphère de la planète absorbe une partie de sa lumière de l’étoile. La lumière restante est ensuite décomposée en différentes “couleurs”, ou longueurs d’onde, comme pour un arc-en-ciel. Chacune de ces longueurs d’onde correspond à une sorte d’”empreinte digitale” d’un élément chimique. Les astronomes identifient alors dans le spectre de transmission obtenu, les éléments absorbés qui composent l’atmosphère, comme le CO2 ou l’eau.