Le télescope spatial James Webb (JWST), lancé le jour de Noël 2021, transforme déjà notre compréhension des planètes de notre système solaire et bien au-delà. Observatoire satellite polyvalent, JWST a une vue dégagée depuis sa position orbitale, à 1,5 million de kilomètres de la Terre dans l’espace. Cela lui donne un avantage majeur sur les télescopes au sol qui doivent scruter l’espace à travers l’atmosphère brumeuse de la Terre.
JWST collecte cinq fois plus de lumière que le télescope spatial Hubble (HST), ce qui lui permet de détecter des signaux faibles provenant de mondes lointains en utilisant ses capacités spectroscopiques.
« Avant le télescope spatial James Webb, seul un très petit nombre de molécules pouvait être observé, comme l’eau, le monoxyde de carbone et le sodium », a déclaré Jérémy Leconte, astrophysicien à l’Université de Bordeaux en France.
Les missions et observations précédentes de la Terre ont découvert des milliers d’exoplanètes (celles en dehors de notre système solaire) et les astronomes profitent déjà des capacités uniques de JWST pour étudier les éléments constitutifs de la vie dans l’univers.
Ciels extraterrestres
Plus tôt cette année, le télescope James Webb a permis aux astrophysiciens d’observer une exoplanète autour d’une étoile semblable au soleil, à 700 années-lumière. La lumière des étoiles traversant l’atmosphère de la planète chaude semblable à Jupiter, WASP-39b, donne aux astronomes un aperçu de la chimie des cieux extraterrestres.
Depuis la Terre, les télescopes ont du mal à observer le dioxyde de carbone sur les exoplanètes, car ils doivent regarder à travers le CO2 dans l’atmosphère des planètes. L’observatoire JWST permet de détecter un plus grand nombre de molécules, dont le dioxyde de carbone, dans le ciel de WASP-39b. La présence de dioxyde de carbone dans l’atmosphère peut indiquer que la vie organique existe sur la planète.
« Cela change vraiment la donne », a déclaré Leconte. « Nous avons vraiment besoin de regarder les planètes autour des étoiles proches de nous. C’est notre meilleure chance de caractériser leurs atmosphères. »
Il s’intéresse en particulier à sept planètes rocheuses qui orbitent autour de l’étoile naine TRAPPIST-1, à 40 années-lumière, et surtout à leurs atmosphères. Les planètes existent dans la zone habitable, ce qui signifie qu’elle a les bonnes températures pour que l’eau reste liquide.
Habituellement, lorsque les scientifiques font des prédictions sur l’atmosphère d’une exoplanète, ils supposent qu’elle est homogène – les mêmes conditions existent partout. Il est peu probable que ce soit vrai.
Leconte a développé un simulateur 3D (dans le cadre du Projet WHIPLASH) pour effectuer des tests sur des planètes simulées avec des caractéristiques connues, telles que la présence d’eau liquide. Utiliser des planètes simulées pour exécuter ces tests, c’est comme avoir les réponses à la fin d’un livre de mathématiques : les tests peuvent être exécutés et les réponses fournies par les modèles peuvent être comparées aux caractéristiques connues.
Plusieurs milliers d’autres exoplanètes seront probablement découvertes dans les années à venir, y compris celles découvertes à l’aide du nouveau télescope spatial. Les scientifiques veulent savoir si leurs modèles peuvent offrir des informations précises. Certaines des réponses aux questions sur les exoplanètes lointaines pourraient se trouver près de chez nous dans le système solaire, dans les quatre plus grandes planètes : Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune.
La Mission orbiteur Juno a fourni des vues spectaculaires de Jupiter, tandis que le vaisseau spatial Cassini a révélé des détails sur la planète Saturne. Auparavant, le Vaisseau spatial Voyager 2 voler par Neptune et Uranus a pris des images de leurs atmosphères.
« Nous avons capturé des images glorieuses de ces planètes, avec tous ces systèmes de tempêtes tourbillonnantes et ces bandes de couleur bonbon, qui sont des modèles de circulation météorologique à grande échelle », a déclaré le scientifique planétaire Leigh Fletcher de l’Université de Leicester, « Mais ce n’est qu’un instantané de leurs atmosphères et climats à un moment donné dans le temps. »
Quatre géants
Pour comprendre les modèles climatiques et météorologiques, Fletcher dirige un projet appelé CLIMES GÉANTES qui reconstituaient les pièces éparses du puzzle de leurs atmosphères en constante évolution. Ils ont utilisé les observations passées des télescopes sur Terre pour comprendre les cycles naturels des quatre planètes géantes sur plusieurs décennies. Ce travail a préparé le terrain pour les nouvelles cartes très attendues de ces mondes du JWST.
Uranus et Neptune sont les planètes les plus éloignées du système solaire et ces soi-disant « géantes de glace » conservent encore un air mystérieux. Ils sont composés principalement d’hydrogène, d’hélium et d’autres gaz comme le méthane.
« Il y a tellement de potentiel pour de toutes nouvelles découvertes (avec ces deux planètes) », a déclaré Fletcher. « Nous ne maîtrisons pas bien le fonctionnement des atmosphères de ces géantes de glace par rapport aux géantes gazeuses mieux étudiées (Jupiter et Saturne). »
Neige de méthane
Pendant ce temps, Saturne est connue pour avoir des systèmes de tempêtes massifs, et Neptune peut avoir des tempêtes de neige de méthane. La variable clé des conditions météorologiques est toujours la température, avec des températures froides et glaciales sur les lointains Neptune et Uranus.
Il y a déjà eu des progrès avec la publication des toutes premières cartes des températures atmosphériques élevées dans la stratosphère d’Uranus. Cela a révélé des systèmes de circulation saisonniers surprenants et des points lumineux au-dessus des pôles.
Il prédit également que les planètes géantes, souvent titrées sur leur axe, ont des saisons extrêmement longues. « Nous voyons des saisons moduler les températures atmosphériques, les nuages et les précipitations comme nous le faisons sur la planète Terre », a déclaré Fletcher, « mais nous voyons également des cycles naturels réguliers dans l’atmosphère qui ne sont pas saisonniers ». Nous commençons tout juste à comprendre la météo sur les planètes géantes. »
De plus, l’atmosphère de Neptune a montré une importante activité orageuse et météorologique, mais l’équipe a été surprise de constater que la planète semble s’être refroidie pendant l’été, plutôt que réchauffée.
GIANTCLIMES est un acte de soutien pour l’arrivée du JWST. Le nouveau télescope a déjà observé Jupiter, et dans un futur proche il se tournera vers Uranus et Saturne, puis Neptune début 2023, permettant des comparaisons entre planètes.
« La façon dont les climats fonctionnent sur les quatre mondes est vraiment au cœur de ce que nous essayons de comprendre », a déclaré Fletcher. On s’attend à ce qu’il offre plus d’informations sur les cycles naturels de la variabilité climatique détectés sur Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Leurs extrêmes pourraient même nous en dire plus sur le climat et les conditions météorologiques de la Terre.
La vie extraterrestre
Les études des quatre géantes sont également pertinentes pour la recherche sur les exoplanètes. « Nous avons une collection d’atmosphères planétaires diverses dans notre système solaire qui forment un modèle pour ce que nous pourrions nous attendre à voir autour d’autres étoiles », a déclaré Fletcher.
« Peut-être que ces cibles exoplanétaires présentent également des cycles naturels similaires, et l’objectif final est d’essayer d’avoir des prévisions météorologiques ou des prévisions climatiques pour toutes les planètes, pas seulement celles de notre système solaire », a conclu Fletcher.
JWST permettra aux scientifiques de mieux voir le ciel des planètes aux confins du système solaire, mais aussi des mondes à des années-lumière, dont certains pourraient être entourés d’atmosphères protectrices et de conditions terrestres propices à la vie extraterrestre.
« Deux domaines évoluent rapidement en astrophysique. Ce sont les exoplanètes et la cosmologie, ce qui revient vraiment à la question de Dieu et de la vie, alors d’où vient l’univers et d’où venons-nous », a déclaré Leconte.