Image du satellite Io de Jupiter, prise par la sonde Galileo. Le volcanisme de Io est généré par les effets de marée induits par la proximité immédiate de Jupiter, à seulement 6 rayons joviens. (Crédit : NASA/Galileo)
Il y a une cinquantaine d’années, on découvrait la nature volcanique de Io, le satellite galiléen le plus proche de Jupiter. Avec la découverte d’exoplanètes géantes proches de leur étoile, les astronomes ont exploré l’existence possible de lunes de type « super-Io ». Un exemple vient d’en être découvert autour de l’exoplanète WASP-39 b, et ce n’est sans doute pas le seul.
Dès la découverte des premières exoplanètes géantes, il y a trente ans, les astronomes se sont interrogés sur la présence possible de satellites autour de ces nouveaux objets. Vu le nombre élevé de lunes orbitant autour des planètes géantes du Système solaire (on en compte actuellement 274 autour de Saturne !), il était assez naturel d’imaginer l’existence d’exolunes. Compte tenu de la diversité rencontrée dans les satellites extérieurs du Système solaire, on peut penser que la nature des exolunes pourrait être très variée : rocheuses ou glacées, dotées ou non d’une atmosphère dense ou ténue. Mais le plus difficile restait à faire : comment les mettre en évidence ? Quelques détections possibles ont été proposées, mais ces annonces demandent confirmation : il est très difficile, à partir de l’une des trois méthodes de détection les plus utilisées (méthode des vitesses radiales, méthode des transits, imagerie directe ; voir l’article de J.-P. Maillard dans l’Astronomie no 195, été 2025), de détecter des satellites autour des exoplanètes. Partant de l’exemple de Jupiter et de son satellite Io, les astronomes ont alors imaginé une autre méthode indirecte : la détection d’une lune volcanique à partir de l’observation du tore généré par l’éjection des gaz et des poussières volcaniques tout au long de son orbite.
Les premières images des volcans de Io datent du survol de Jupiter par Voyager 1 en 1979. Cependant, plusieurs années auparavant, la découverte d’émissions de sodium et de potassium dans un tore associé au satellite avait donné les premières indications d’une activité volcanique à la surface de Io. Avec la découverte d’exoplanètes géantes très proches de leur étoile (les « Jupiters chauds »), les astronomes ont imaginé ce que pourrait être la nature d’un satellite en orbite autour de telles exoplanètes. Celui-ci subirait des effets de marée très violents, de la part de la planète mais aussi de l’étoile, très proche, ainsi que l’intense rayonnement de l’étoile elle-même ; on pouvait donc s’attendre à des émissions de sodium et de potassium très fortes.
Le tore de Io, observé dans le visible le 31 janvier 1991 depuis l’observatoire de Catalina en Californie, avec un filtre isolant la raie S+ à 673 nm du soufre ionisé, dans trois positions successives du tore séparées de quelques heures. La planète Jupiter apparaît à droite, et la ligne verticale en pointillé à gauche représente la limite de l’orbite de Io. On voit que le tore est légèrement à l’intérieur de cette orbite. (Crédit : N. Schneider et J. Trauger, Astrophys. J., 450, 450, 1995)
Le sodium, indicateur d’une exolune volcanique
C’est en 2002 que le sodium Na (facilement détectable par son doublet en lumière jaune à 590 nm) a été découvert dans le spectre visible d’un Jupiter chaud proche, HD 209458 b, la première exoplanète découverte par transit. Parmi les sources possibles du sodium, les astronomes ont considéré une lune, un tore de gaz ou un disque de débris. En 2019, une équipe internationale coordonnée par Apurva Oza (aujourd’hui au California Institute of Technology, aux États-Unis) étudia la possibilité d’existence d’une lune autour d’un certain nombre de « Jupiters chauds » sur lesquels le doublet du sodium avait été détecté [1]. Après avoir étudié dans quelles conditions l’orbite d’une telle lune pouvait être stable, les auteurs ont analysé les différentes sources possibles de la présence du sodium dans le spectre planétaire (impacts cométaires, poussières cosmiques, lune volcanique). Leur conclusion était que, dans plusieurs cas, la quantité de sodium éjectée par la lune était largement suffisante pour rendre compte de la raie d’absorption du sodium observée en transmission dans le spectre de l’exoplanète au moment du transit. Bien que la durée de vie du sodium à proximité du Jupiter chaud soit très courte (de l’ordre de 10 minutes), le nuage de sodium entourant le satellite serait plus dense que celui entourant Io de plusieurs ordres de grandeur, à cause de la proximité de l’étoile hôte et de l’effet combiné de son rayonnement intense et des forces de marée qu’elle engendre.
Si la source du sodium détecté dans le spectre d’un Jupiter chaud est liée à la présence d’une lune volcanique, on s’attend à ce que ce signal soit modulé en fonction de la position de cette lune sur son orbite. C’est la raison pour laquelle l’exoplanète WASP-39 b, l’une des exoplanètes candidates identifiées dans l’étude de 2019, a fait l’objet de multiples campagnes d’observation, en particulier avec le télescope spatial James-Webb (JWST) dont elle a été, dès le début, une cible privilégiée. L’équipe regroupée autour d’Apurva Oza vient d’en publier une synthèse dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society de septembre 2025 [2].
Le spectre visible de l’exoplanète WASP-39 b entre 530 et 820 nm, montrant les signatures spectrales du sodium Na (à 590 nm) et du potassium K (à 770 nm). Les cartouches en haut de la figure montrent des agrandissements de ces deux régions spectrales. Les points avec barres d’erreur, de différentes couleurs, montrent les mesures acquises avec le HST, le VLT et le JWST. Les lignes de différentes couleurs montrent divers spectres synthétiques. La figure montre que les signatures spectrales de Na et de K sont variables dans le temps, ce qui peut s’expliquer par la rotation d’une lune autour de l’exoplanète. (Crédit : A. Oza et al. [2])
Un tore autour de WASP-39 b
WASP-39 b est un « Saturne chaud » à l’atmosphère très dilatée (R = 1,27 RJ, M = 0,28 MJ, RJ et MJ étant respectivement le rayon et la masse de Jupiter) qui orbite en 4,1 jours autour de son étoile hôte, une étoile de type G7 (donc comparable au type solaire) située à 750 années-lumière (al) du Soleil. En mars 2013, des spectres pris avec le télescope spatial Hubble ont révélé la présence du sodium (Na) à 590 nm, mais pas du potassium (K) autour de 768 nm. Les deux atomes ont été détectés dans des spectres pris par le Very Large Telescope (VLT) trois ans plus tard, en mars 2016. Le JWST a observé WASP-39 b à plusieurs reprises, en juillet 2022 et en mars 2023, à partir de plusieurs instruments. Na, SO2 et CO2 ont été détectés, avec de fortes variations temporelles dans le cas de SO2, et K a été détecté de manière épisodique.
Les auteurs de l’étude ont effectué une modélisation des spectres de transmission en considérant deux cas de figure distincts : 1) un nuage d’atomes entourant le satellite et 2) un tore de plasma, analogue à celui du satellite Io autour de Jupiter. Dans les deux cas, la densité des particules, dans ce nuage ou dans ce tore, est liée au taux de perte de masse du satellite et à la durée de vie des atomes vis-à-vis de la photo-ionisation par le champ de rayonnement de l’étoile. À partir de ce modèle, il est possible de calculer le nombre d’atomes sur la ligne de visée de l’observateur en fonction de la position du satellite sur son orbite ; on en déduit la profondeur de l’absorption observée dans le spectre de transmission au moment du transit, dans le visible (pour Na et K) ou dans l’infrarouge (pour SO2). En parallèle, une simulation numérique permet de décrire l’évolution des particules à mesure que le satellite se déplace autour de la planète, dans le cas du nuage comme dans celui du tore. La comparaison entre les modèles du tore et du nuage semble indiquer un meilleur accord avec les mesures dans le cas du tore, en particulier pour les signatures spectrales de Na et de SO2.
Le spectre infrarouge de WASP-39 b montrant les signatures spectrales de SO2 et CO2 autour de 4 mm (NIRSpec) et 7 mm (MIRI). Les courbes en orange sont des spectres synthétiques. Leur comparaison avec les mesures permet de déduire le nombre de molécules SO2 et CO2 sur la ligne de visée et ensuite, par modélisation, le taux de production du SO2 éjecté par le satellite. CO2 ne montre pas de variation temporelle d’abondance et pourrait provenir de l’exoplanète. (Crédit : A. Oza et al. [2])
D’autres découvertes à venir
En conclusion, la présence d’un satellite volcanique autour de WASP-39 b permet de bien rendre compte des signatures spectrales de Na, K et SO2 et de leurs variations temporelles. Dans le futur, des observations répétées dans le temps du sodium et du potassium seront nécessaires pour mieux contraindre l’orbite du satellite. Ces mesures devront être réalisées à haute résolution spectrale pour permettre de mesurer, par effet Doppler, la vitesse des particules par rapport à l’observateur. Enfin, des observations similaires devront être réalisées sur les autres Jupiters chauds, ou Saturnes chauds, dans lesquels les raies de Na et K ont été découvertes, car ces exoplanètes sont susceptibles, elles aussi, d’héberger des satellites volcaniques.
Article écrit par Thérèse Encrenaz, LIRA, Observatoire de Paris-PSL
Simulation numérique décrivant la trajectoire de particules éjectées d’un satellite de la taille de Io, en fonction de la rotation du satellite autour de l’exoplanète. Du haut en bas : SO2, Na et K. Figure de gauche : répartition selon un tore ; figure de droite : répartition en nuage autour du satellite. Pour chaque figure, à gauche : le système vu de dessus ; à droite : le système vu de l’observateur au moment du transit. Le Soleil est à gauche et l’observateur à droite. La structure en nuage ou en tore dépend de la durée de vie assignée aux particules ; si elle est courte, on observe une structure en nuage ; si elle est longue, on observe une structure en tore. (Crédit : A. Oza et al. [2])
- A. Oza et al., « Sodium and Potassium Signatures of Volcanic Satellites Orbiting Close-in Gas Giant Exoplanets », Astrophys. J., 885, 168, 2019.
- A. Oza et al., « Volcanic satellites tidally venting Na, K, SO2in optical and infrared light », Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 546, 1, septembre 2025.
