Les astronomes utilisant le télescope spatial James Webb de la NASA ont découvert une naine brune (un objet plus massif que Jupiter mais plus petit qu’une étoile) avec une émission infrarouge du méthane, probablement due à l’énergie de sa haute atmosphère. Il s’agit d’une découverte inattendue car la naine brune, W1935, est froide et n’a pas d’étoile hôte ; par conséquent, il n’existe aucune source évidente d’énergie dans la haute atmosphère. L’équipe suppose que l’émission de méthane pourrait être due à des processus générant des aurores.
Ces résultats sont présentés à la 243e réunion de l’American Astronomical Society à la Nouvelle-Orléans.
Pour aider à expliquer le mystère de l’émission infrarouge du méthane, l’équipe s’est tournée vers notre système solaire. Le méthane en émission est une caractéristique commune aux géantes gazeuses comme Jupiter et Saturne. Le réchauffement de la haute atmosphère qui alimente cette émission est lié aux aurores.
Sur Terre, les aurores sont créées lorsque des particules énergétiques soufflées dans l’espace depuis le soleil sont capturées par le champ magnétique terrestre. Ils descendent en cascade dans notre atmosphère le long des lignes de champ magnétique proches des pôles terrestres, entrant en collision avec des molécules de gaz et créant d’étranges rideaux de lumière dansants. Jupiter et Saturne ont des processus auroraux similaires qui impliquent une interaction avec le vent solaire, mais ils reçoivent également des contributions aurorales de lunes actives proches comme Io (pour Jupiter) et Encelade (pour Saturne).
Pour les naines brunes isolées comme W1935, l’absence de vent stellaire pour contribuer au processus auroral et expliquer l’énergie supplémentaire dans la haute atmosphère nécessaire à l’émission de méthane est un mystère. L’équipe suppose que des processus internes non pris en compte, comme les phénomènes atmosphériques de Jupiter et de Saturne, ou des interactions externes avec le plasma interstellaire ou une lune active proche pourraient contribuer à expliquer cette émission.
Une histoire de détective
La découverte des aurores s’est déroulée comme un roman policier. Une équipe dirigée par Jackie Faherty, astronome au Musée américain d’histoire naturelle de New York, a obtenu du temps avec le télescope Webb pour étudier 12 naines brunes froides. Parmi ceux-ci figuraient W1935, un objet découvert par le scientifique citoyen Dan Caselden, qui a travaillé avec le projet Backyard Worlds Zooniverse, et W2220, un objet découvert à l’aide du Wide Field Infrared Survey Explorer de la NASA.
Webb a révélé avec des détails exquis que W1935 et W2220 semblaient être des clones proches l’un de l’autre dans leur composition. Ils partageaient également une luminosité, des températures et des caractéristiques spectrales similaires de l’eau, de l’ammoniac, du monoxyde de carbone et du dioxyde de carbone. L’exception frappante était que W1935 montrait une émission de méthane, par opposition à la caractéristique d’absorption attendue observée vers W2220. Cela a été observé à une longueur d’onde infrarouge distincte à laquelle Webb est particulièrement sensible.
« Nous nous attendions à voir du méthane parce que le méthane est partout sur ces naines brunes. Mais au lieu d’absorber la lumière, nous avons vu exactement le contraire : le méthane brillait. Ma première pensée a été : qu’est-ce qui se passe ? Pourquoi l’émission de méthane sort-elle de cet objet ? ? » dit Faherty.
L’équipe a utilisé des modèles informatiques pour déduire ce qui pourrait être à l’origine de l’émission. Le travail de modélisation a montré que W2220 avait une répartition attendue de l’énergie dans toute l’atmosphère, se refroidissant avec l’augmentation de l’altitude. W1935, en revanche, eut un résultat surprenant. Le meilleur modèle privilégiait une inversion de température, où l’atmosphère se réchauffait avec l’augmentation de l’altitude.
« Cette inversion de température est vraiment déroutante », a déclaré Ben Burningham, co-auteur de l’Université du Hertfordshire en Angleterre et modélisateur principal des travaux. « Nous avons observé ce genre de phénomène sur des planètes avec une étoile proche qui peut chauffer la stratosphère, mais le voir dans un objet sans source de chaleur externe évidente est fou. »
Indices de notre système solaire
Pour trouver des indices, l’équipe a cherché dans notre propre cour les planètes de notre système solaire. Les planètes géantes gazeuses peuvent servir de proxy pour ce qui se passe à plus de 40 années-lumière dans l’atmosphère de W1935.
L’équipe a réalisé que les inversions de température sont importantes sur des planètes comme Jupiter et Saturne. Des travaux sont encore en cours pour comprendre les causes de leur réchauffement stratosphérique, mais les principales théories sur le système solaire impliquent un chauffage externe par les aurores et un transport d’énergie interne depuis les profondeurs de l’atmosphère (la première étant la principale explication).
Candidates aux aurores naines brunes en contexte
Ce n’est pas la première fois qu’une aurore est utilisée pour expliquer une observation d’une naine brune. Les astronomes ont détecté des émissions radio provenant de plusieurs naines brunes plus chaudes et ont invoqué les aurores comme explication la plus probable. Des recherches ont été menées avec des télescopes au sol comme l’Observatoire Keck pour rechercher les signatures infrarouges de ces naines brunes émettrices de radio afin de caractériser davantage le phénomène, mais n’ont pas été concluantes.
W1935 est le premier candidat auroral en dehors du système solaire avec la signature d’une émission de méthane. C’est également le candidat auroral le plus froid en dehors de notre système solaire, avec une température effective d’environ 400 degrés Fahrenheit (200 degrés Celsius), soit environ 600 degrés Fahrenheit de plus que Jupiter.
Dans notre système solaire, le vent solaire est l’un des principaux contributeurs aux processus auroraux, les lunes actives comme Io et Encelade jouant respectivement un rôle pour des planètes comme Jupiter et Saturne. W1935 n’a absolument pas d’étoile compagne, donc un vent stellaire ne peut pas contribuer au phénomène. Reste à savoir si une lune active pourrait jouer un rôle dans l’émission de méthane de W1935.
« Avec W1935, nous disposons désormais d’une extension spectaculaire d’un phénomène du système solaire sans aucune irradiation stellaire pour aider à l’explication », a noté Faherty. « Avec Webb, nous pouvons vraiment » ouvrir le capot « de la chimie et découvrir à quel point le processus auroral peut être similaire ou différent au-delà de notre système solaire », a-t-elle ajouté.