Le télescope spatial James Webb (JWST) vient de marquer une autre première : un portrait moléculaire et chimique détaillé du ciel d’un monde lointain.
La gamme d’instruments très sensibles du télescope a été entraînée sur l’atmosphère d’une « Saturne chaude » – une planète à peu près aussi massive que Saturne en orbite autour d’une étoile à environ 700 années-lumière – connue sous le nom de WASP-39 b. Alors que JWST et d’autres télescopes spatiaux, dont Hubble et Spitzer, ont déjà révélé des ingrédients isolés de l’atmosphère de cette planète brûlante, les nouvelles lectures fournissent un menu complet d’atomes, de molécules et même de signes de chimie active et de nuages.
« La clarté des signaux d’un certain nombre de molécules différentes dans les données est remarquable », déclare Mercedes López-Morales, astronome au Centre d’astrophysique | Harvard & Smithsonian et l’un des scientifiques qui ont contribué aux nouveaux résultats.
« Nous avions prédit que nous allions voir beaucoup de ces signaux, mais quand j’ai vu les données pour la première fois, j’étais impressionné », ajoute López-Morales.
Les dernières données donnent également une idée de la façon dont ces nuages dans les exoplanètes pourraient ressembler de près: brisés plutôt qu’une seule couverture uniforme sur la planète.
Les résultats sont de bon augure pour la capacité du JWST à mener le large éventail d’enquêtes sur les exoplanètes – des planètes autour d’autres étoiles – que les scientifiques espéraient. Cela inclut sonder les atmosphères de planètes rocheuses plus petites comme celles du système TRAPPIST-1.
« Nous avons observé l’exoplanète avec plusieurs instruments qui fournissent ensemble une large bande du spectre infrarouge et une panoplie d’empreintes chimiques inaccessibles jusqu’au JWST », a déclaré Natalie Batalha, astronome à l’Université de Californie à Santa Cruz, qui a contribué et aidé à coordonner la nouvelle recherche. « Des données comme celles-ci changent la donne. »
La suite de découvertes est détaillée dans un ensemble de cinq articles scientifiques nouvellement soumis, disponibles sur le site Web de prépublication arXiv. Parmi les révélations sans précédent figure la première détection dans une atmosphère exoplanétaire de dioxyde de soufre, une molécule produite à partir de réactions chimiques déclenchées par la lumière à haute énergie de l’étoile mère de la planète. Sur Terre, la couche d’ozone protectrice dans la haute atmosphère est créée de la même manière.
« La détection surprenante de dioxyde de soufre confirme enfin que la photochimie façonne le climat des » Saturnes chaudes « », déclare Diana Powell, boursière de la NASA Hubble, astronome au Centre d’astrophysique et membre principal de l’équipe qui a fait la découverte du dioxyde de soufre. « Le climat de la Terre est également façonné par la photochimie, de sorte que notre planète a plus en commun avec les » Saturnes chaudes « que nous ne le savions auparavant. »
Jea Adams, étudiante diplômée à Harvard et chercheuse au Center for Astrophysics, a analysé les données qui ont confirmé le signal de dioxyde de soufre.
« En tant que chercheur en début de carrière dans le domaine des atmosphères d’exoplanètes, c’est tellement excitant de faire partie d’une détection comme celle-ci », a déclaré Adams. « Le processus d’analyse de ces données semblait magique. Nous avons vu des indices de cette fonctionnalité dans les premières données, mais cet instrument de plus grande précision a clairement révélé la signature du SO2 et nous a aidés à résoudre le puzzle. »
À une température estimée à 1 600 degrés Fahrenheit et une atmosphère composée principalement d’hydrogène, le WASP-39 b ne serait pas habitable. L’exoplanète a été comparée à Saturne et à Jupiter, avec une masse similaire à Saturne, mais une taille globale aussi grande que Jupiter. Mais les nouveaux travaux montrent la voie pour trouver des preuves de la vie potentielle sur une planète habitable.
La proximité de la planète avec son étoile hôte – huit fois plus proche que Mercure ne l’est de notre soleil – en fait également un laboratoire pour étudier les effets du rayonnement des étoiles hôtes sur les exoplanètes. Une meilleure connaissance de la connexion étoile-planète devrait permettre de mieux comprendre comment ces processus créent la diversité des planètes observées dans la galaxie.
D’autres constituants atmosphériques détectés par JWST comprennent le sodium, le potassium et la vapeur d’eau, confirmant les observations antérieures de télescopes spatiaux et terrestres ainsi que la recherche de caractéristiques d’eau supplémentaires, à des longueurs d’onde plus longues, qui n’ont jamais été vues auparavant.
JWST a également vu le dioxyde de carbone à une résolution plus élevée, fournissant deux fois plus de données que celles rapportées à partir de ses observations précédentes. Pendant ce temps, du monoxyde de carbone a été détecté, mais des signatures évidentes de méthane et de sulfure d’hydrogène étaient absentes des données. Si elles sont présentes, ces molécules se produisent à des niveaux très bas, une découverte importante pour les scientifiques qui font des inventaires de la chimie des exoplanètes afin de mieux comprendre la formation et le développement de ces mondes lointains.
Capturer un spectre aussi large de l’atmosphère de WASP-39 b était un tour de force scientifique, alors qu’une équipe internationale comptant des centaines a analysé indépendamment les données de quatre des modes d’instruments finement calibrés de JWST. Ils ont ensuite effectué des comparaisons détaillées de leurs découvertes, produisant des résultats encore plus nuancés sur le plan scientifique.
JWST voit l’univers en lumière infrarouge, à l’extrémité rouge du spectre lumineux au-delà de ce que les yeux humains peuvent voir ; qui permet au télescope de capter des empreintes chimiques qui ne peuvent pas être détectées en lumière visible.
Chacun des trois instruments a même une version du « IR » de l’infrarouge dans son nom : NIRSpec, NIRCam et NIRISS.
Pour voir la lumière de WASP-39 b, JWST a suivi la planète alors qu’elle passait devant son étoile, permettant à une partie de la lumière de l’étoile de filtrer à travers l’atmosphère de la planète. Différents types de produits chimiques dans l’atmosphère absorbent différentes couleurs du spectre de la lumière des étoiles, de sorte que les couleurs manquantes indiquent aux astronomes quelles molécules sont présentes.
En analysant avec une telle précision l’atmosphère d’une exoplanète, les instruments du JWST ont dépassé les attentes des scientifiques et promettent une nouvelle phase d’exploration parmi la grande variété d’exoplanètes de la galaxie.
López-Morales déclare : « J’ai hâte de voir ce que nous trouvons dans les atmosphères des petites planètes telluriques. »
Plus d’information:
Shang-Min Tsai et al, Preuve directe de la photochimie dans une atmosphère d’exoplanète, arXiv (2022). DOI : 10.48550/arxiv.2211.10490