En étudiant une classe unique d’exoplanètes ultra-chaudes, les astronomes du télescope spatial Hubble de la NASA pourraient être d’humeur à danser sur la chanson de fête Calypso « Hot, Hot, Hot ». C’est parce que ces mondes gonflés de la taille de Jupiter sont si précairement proches de leur étoile mère qu’ils sont grillés à des températures bouillonnantes supérieures à 3 000 degrés Fahrenheit. C’est assez chaud pour vaporiser la plupart des métaux, y compris le titane. Ils ont les atmosphères planétaires les plus chaudes jamais vues.
Dans deux nouveaux articles, des équipes d’astronomes de Hubble font état de conditions météorologiques étranges sur ces mondes brûlants. Il pleut de la roche vaporisée sur une planète, et une autre a sa haute atmosphère qui devient plus chaude plutôt que plus froide parce qu’elle est « brûlée par le soleil » par le rayonnement ultraviolet (UV) intense de son étoile.
Cette recherche va au-delà de la simple découverte d’atmosphères planétaires étranges et décalées. L’étude des conditions météorologiques extrêmes donne aux astronomes un meilleur aperçu de la diversité, de la complexité et de la chimie exotique qui se déroulent dans des mondes lointains à travers notre galaxie.
« Nous n’avons toujours pas une bonne compréhension de la météo dans différents environnements planétaires », a déclaré David Sing de l’Université Johns Hopkins à Baltimore, Maryland, co-auteur de deux études rapportées. « Quand vous regardez la Terre, toutes nos prévisions météorologiques sont encore finement ajustées à ce que nous pouvons mesurer. Mais quand vous allez sur une exoplanète lointaine, vous avez des pouvoirs prédictifs limités parce que vous n’avez pas construit de théorie générale sur la façon dont tout dans une atmosphère va ensemble et répond à des conditions extrêmes. Même si vous connaissez les bases de la chimie et de la physique, vous ne savez pas comment cela va se manifester de manière complexe.
Dans un article du journal du 6 avril Nature, les astronomes décrivent les observations de Hubble de WASP-178b, situé à environ 1 300 années-lumière. Du côté diurne, l’atmosphère est sans nuages et enrichie en gaz de monoxyde de silicium. Parce qu’un côté de la planète fait face en permanence à son étoile, l’atmosphère torride se déplace du côté nocturne à des vitesses de super-ouragan dépassant 2 000 milles à l’heure. Du côté obscur, le monoxyde de silicium peut se refroidir suffisamment pour se condenser en roche qui pleut des nuages, mais même à l’aube et au crépuscule, la planète est suffisamment chaude pour vaporiser la roche. « Nous savions que nous avions vu quelque chose de vraiment intéressant avec cette fonctionnalité de monoxyde de silicium », a déclaré Josh Lothringer de l’Université d’Utah Valley à Orem, Utah.
Dans un article publié dans le numéro du 24 janvier de Lettres du journal astrophysique, Guangwei Fu de l’Université du Maryland, College Park, a signalé un Jupiter super chaud, KELT-20b, situé à environ 400 années-lumière. Sur cette planète, une explosion de lumière ultraviolette provenant de son étoile mère crée une couche thermique dans l’atmosphère, un peu comme la stratosphère terrestre. « Jusqu’à présent, nous ne savions jamais comment l’étoile hôte affectait directement l’atmosphère d’une planète. Il y a eu beaucoup de théories, mais maintenant nous avons les premières données d’observation », a déclaré Fu.
En comparaison, sur Terre, l’ozone dans l’atmosphère absorbe la lumière UV et augmente les températures dans une couche située entre 7 et 31 milles au-dessus de la surface de la Terre. Sur KELT-20b, le rayonnement UV de l’étoile chauffe les métaux dans l’atmosphère, ce qui crée une très forte couche d’inversion thermique.
Les preuves sont venues de la détection d’eau par Hubble dans des observations dans le proche infrarouge et de la détection de monoxyde de carbone par le télescope spatial Spitzer de la NASA. Ils rayonnent à travers la haute atmosphère chaude et transparente qui est produite par la couche d’inversion. Cette signature est unique par rapport à ce que les astronomes voient dans les atmosphères de Jupiter chauds en orbite autour d’étoiles plus froides, comme notre Soleil. « Le spectre d’émission de KELT-20b est assez différent des autres Jupiter chauds », a déclaré Fu. « C’est une preuve irréfutable que les planètes ne vivent pas isolées mais sont affectées par leur étoile hôte. »
Bien que les Jupiters super chauds soient inhabitables, ce type de recherche aide à ouvrir la voie à une meilleure compréhension des atmosphères des planètes terrestres potentiellement habitables. « Si nous ne pouvons pas comprendre ce qui se passe sur les Jupiter super chauds où nous avons des données d’observation solides et fiables, nous n’aurons aucune chance de comprendre ce qui se passe dans les spectres plus faibles en observant les exoplanètes terrestres », a déclaré Lothringer. « Il s’agit d’un test de nos techniques qui nous permet de construire une compréhension générale des propriétés physiques telles que la formation des nuages et la structure atmosphérique. »
Joshua Lothringer, Absorption UV par les précurseurs de nuage de silicate dans Jupiter WASP-178b ultra-chaud, Nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04453-2. www.nature.com/articles/s41586-022-04453-2
Guangwei Fu et al, Fortes caractéristiques d’émission de H2O et de CO dans le spectre de KELT-20b pilotées par l’irradiation UV stellaire, Les lettres du journal astrophysique (2022). DOI : 10.3847/2041-8213/ac4968