À près de 49 années-lumière de la Terre, dans la constellation de la Baleine, la super-Terre LHS 1140 b intrigue les astronomes depuis sa découverte en 2017. Cette planète rocheuse, environ 5,6 fois plus massive que notre Planète, orbite en seulement 24,7 jours autour d'une petite naine rouge. Malgré cette proximité avec son étoile, elle ne reçoit que 42 % du rayonnement que la Terre reçoit du Soleil. Une quantité d'énergie qui reste compatible avec la présence d'eau liquide, à condition que la planète possède une atmosphère suffisamment épaisse pour retenir la chaleur.

Illustration de deux planètes de taille similaire à la Terre, Trappist-1b et Trappist-1c, en transit autour de leur naine rouge. © Nasa, ESA, G. Bacon (STScI)/J. de Wit (MIT)

C'est précisément là que réside toute la difficulté. Une planète peut se trouver dans la zone habitable de son étoile sans être habitable pour autant : sans atmosphère, impossible de maintenir durablement de l'eau liquide en surface, de protéger la planète des rayonnements de son étoile, ou de réguler son climat. Déterminer si ces mondes rocheux ont conservé une enveloppe gazeuse constitue donc une étape indispensable avant d'espérer y rechercher de la vapeur d'eau ou d'éventuelles biosignatures.

Jusqu'à présent, cette quête s'est révélée particulièrement frustrante. Si les atmosphères des géantes gazeuses sont relativement faciles à détecter, celles des petites planètes rocheuses produisent des signaux extrêmement faibles. Les observations réalisées ces dernières années, notamment avec le télescope spatial James-Webb, ont souvent abouti à des planètes apparemment dépourvues d'atmosphère, laissant planer le doute sur leur capacité à conserver durablement leurs gaz.

Traquer la présence d’hélium plutôt que la présence d’eau

Pour contourner cette difficulté, une équipe de chercheurs a choisi de changer complètement d'approche. Ils publient leur étude dans la revue Science. Au lieu de rechercher directement de la vapeur d'eau ou du dioxyde de carbone, deux gaz dont la signature est très discrète car ils se concentrent dans les basses couches de l'atmosphère, ils se sont intéressés à l'hélium présent en altitude. Extrêmement léger, ce gaz a tendance à migrer vers les couches supérieures de l'atmosphère. Là, il est chauffé par les rayonnements émis par la naine rouge, ce qui lui permet parfois d'atteindre une vitesse suffisante pour s'échapper dans l'espace.

Lorsque LHS 1140 b passe devant son étoile, une infime partie de la lumière traverse son atmosphère avant d'atteindre les télescopes. À l'aide du spectrographe Winered installé sur le télescope Magellan Clay, au Chili, les chercheurs ont analysé cette lumière à la recherche d'une signature bien particulière : celle de l'hélium s'échappant de la planète sous l'effet des rayons X et du rayonnement ultraviolet émis par son étoile. Cette enveloppe d'hélium est également beaucoup plus étendue que les couches où se trouvent l'eau ou le dioxyde de carbone, ce qui la rend plus facile à détecter lors du transit de la planète devant son étoile.

Le pari s'est révélé payant. Des observations réalisées en 2024 montrent clairement cette fuite d'hélium, apportant ce qui constitue aujourd'hui la preuve la plus convaincante de la présence d'une atmosphère autour d'une planète rocheuse située dans la zone habitable. Mais l'histoire ne s'arrête pas là : lorsque les astronomes ont répété leurs observations en 2025, le signal avait disparu. Selon eux, cette fuite atmosphérique varierait avec l'activité de la naine rouge, offrant une occasion rare d'observer les changements d'une atmosphère exoplanétaire à l'échelle de quelques mois seulement.

Un nouveau chapitre dans l'étude des exoplanètes

Au-delà du cas de LHS 1140 b, cette découverte pourrait marquer un tournant dans l'étude des planètes rocheuses. En combinant leurs observations à des modèles d'évolution atmosphérique, les chercheurs proposent que la planète possède une atmosphère stratifiée : une haute atmosphère dominée par l'hélium, tandis que des molécules plus lourdes, comme la vapeur d'eau, resteraient confinées dans les couches inférieures. Aucune eau n'a encore été détectée, mais l'existence d'une atmosphère rend désormais cette recherche beaucoup plus crédible.

Les astronomes ont également étudié une seconde planète du système, LHS 1140 c. Plus proche de son étoile, elle ne montre aucun signe d'atmosphère. Cette différence pourrait illustrer l'existence d'une frontière encore théorique séparant les planètes capables de conserver leur enveloppe gazeuse pendant des milliards d'années de celles qui la perdent progressivement sous l'effet du rayonnement stellaire.

Cette étude démontre surtout qu'il est possible de détecter l'atmosphère de mondes rocheux autrement qu'en recherchant directement leurs principaux constituants. Cette stratégie pourrait désormais être appliquée à d'autres exoplanètes de la zone habitable observées par le télescope spatial James-Webb, puis par les futurs grands observatoires comme le télescope spatial Nancy Grace Roman ou l'Extremely Large Telescope. Le prochain défi ne sera peut-être plus de déterminer si ces planètes possèdent une atmosphère, mais d'en révéler la composition, le climat et, peut-être un jour, les premières signatures d'une activité biologique.