Depuis que la première planète en orbite autour d’une étoile autre que le soleil a été découverte en 1995, nous avons réalisé que les planètes et les systèmes planétaires sont plus diversifiés que nous ne l’aurions jamais imaginé. Des mondes aussi éloignés, les exoplanètes, nous donnent l’occasion d’étudier le comportement des planètes dans différentes situations. Et connaître leurs atmosphères est une pièce cruciale du puzzle.
de la NASA Télescope spatial James Webb (JWST) est le plus grand télescope de l’espace. Lancé le jour de Noël 2021, c’est l’outil parfait pour enquêter sur ces mondes. Maintenant, mes collègues et moi avons utilisé le télescope pour la première fois pour dévoiler la composition chimique d’une exoplanète. Et les données, publié en prépublication formulaire (ce qui signifie qu’il n’a pas encore été publié dans une revue à comité de lecture), suggère des résultats surprenants.
De nombreuses exoplanètes sont trop proches de leurs étoiles mères pour que même ce puissant télescope puisse les distinguer. Mais nous pouvons utiliser l’astuce consistant à regarder la planète passer devant (transférer) son étoile. Pendant le transit, la planète bloque une petite fraction de la lumière des étoiles, et une fraction encore plus infime de la lumière des étoiles est filtrée à travers les couches extérieures de l’atmosphère de la planète.
Les gaz dans l’atmosphère absorbent une partie de la lumière, laissant des empreintes digitales sur la lumière des étoiles sous la forme d’une réduction de la luminosité à certaines couleurs ou longueurs d’onde. JWST est particulièrement adapté aux études d’atmosphère d’exoplanètes car il s’agit d’un télescope infrarouge. La plupart des gaz qui se trouvent dans une atmosphère, tels que la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone, absorbent l’infrarouge plutôt que la lumière visible.
Je fais partie d’une équipe internationale de scientifiques exoplanétaires qui utilise JSTW pour étudier une planète à peu près de la taille de Jupiter appelée WASP-39b. Contrairement à Jupiter, cependant, ce monde ne prend que quelques jours pour orbiter autour de son étoile, il est donc en train de cuire, atteignant des températures dépassant 827°C. Cela nous donne l’occasion idéale d’explorer le comportement d’une atmosphère planétaire dans des conditions de température extrêmes.
Nous avons utilisé JWST pour récupérer le spectre le plus complet à ce jour de cette planète fascinante. En fait, notre travail représente le premier inventaire chimique de l’atmosphère de la planète.
Nous savions déjà que la majeure partie de l’atmosphère de cette grande planète devait être un mélange d’hydrogène et d’hélium, les gaz les plus légers et les plus abondants de l’univers. Et le télescope Hubble y a précédemment détecté de la vapeur d’eau, du sodium et du potassium.
Maintenant, nous avons pu confirmer notre détection et produire une mesure de la quantité de vapeur d’eau. Les données suggèrent également qu’il existe d’autres gaz, y compris gaz carbonique, monoxyde de carboneet de manière inattendue, le dioxyde de soufre.
Avoir des mesures de la quantité de chacun de ces gaz présents dans l’atmosphère signifie que nous pouvons estimer les quantités relatives des éléments qui composent les gaz – hydrogène, oxygène, carbone et soufre. Les planètes se forment dans un disque de poussière et de gaz autour d’une jeune étoile, et nous nous attendons à ce que différentes quantités de ces éléments soient disponibles pour une petite planète à différentes distances de l’étoile.
WASP-39b semble avoir une quantité relativement faible de carbone par rapport à l’oxygène, indiquant qu’il s’est probablement formé à une plus grande distance de l’étoile où il aurait pu facilement absorber la glace d’eau du disque (augmentant son oxygène), par rapport à son courant très proche orbite. Si cette planète a migré, cela pourrait nous aider à développer nos théories sur la formation des planètes et soutiendrait l’idée que les planètes géantes de notre système solaire ont également beaucoup bougé et tremblé au début.
Une clé sulfureuse
La quantité de soufre que nous avons détectée par rapport à l’oxygène est assez élevée pour WASP-39b. Nous nous attendrions à ce que le soufre dans un jeune système planétaire soit plus concentré dans des morceaux de roche et de gravats que sous forme de gaz atmosphérique. Cela indique donc que WASP-39b pourrait avoir subi un nombre inhabituel de collisions avec des morceaux de roche contenant du soufre. Une partie de ce soufre serait libérée sous forme de gaz.
Dans l’atmosphère d’une planète, différents produits chimiques réagissent les uns avec les autres à des vitesses différentes selon la température. Habituellement, ceux-ci s’installent dans un état d’équilibre, les quantités totales de chaque gaz restant stables lorsque les réactions s’équilibrent. Nous avons réussi à prédire quels gaz nous verrions dans l’atmosphère de WASP-39b pour une gamme de points de départ. Mais aucun d’entre eux n’a proposé de dioxyde de soufre, s’attendant plutôt à ce que tout soufre soit enfermé dans un gaz différent, le sulfure d’hydrogène.
La pièce manquante du puzzle chimique était un processus appelé photochimie. C’est à ce moment-là que les taux de certaines réactions chimiques sont déterminés par l’énergie des photons – des paquets de lumière – provenant de l’étoile, plutôt que par la température de l’atmosphère. Parce que WASP-39b est si chaud et que les réactions s’accélèrent généralement à des températures plus élevées, nous ne nous attendions pas à ce que la photochimie soit aussi importante qu’elle s’est avérée l’être.
Les données suggèrent que la vapeur d’eau dans l’atmosphère est séparée par la lumière en oxygène et en hydrogène. Ces produits réagiraient alors avec le sulfure d’hydrogène gazeux, éliminant éventuellement l’hydrogène et le remplaçant par de l’oxygène pour former du dioxyde de soufre.
Quelle est la prochaine étape pour JWST ?
La photochimie est encore plus importante sur les planètes plus froides qui peuvent être habitables – la couche d’ozone sur notre propre planète se forme via un processus photochimique. JWST observera les mondes rocheux du système Trappist-1 au cours de sa première année de fonctionnement. Certaines de ces mesures ont déjà été effectuées et toutes ces planètes ont des températures plus similaires à celles de la Terre.
Certains peuvent même avoir la bonne température pour avoir de l’eau liquide en surface, et potentiellement de la vie. Avoir une bonne compréhension de la façon dont la photochimie influence la composition atmosphérique va être essentiel pour interpréter les observations du télescope Webb du système Trappist-1. Ceci est particulièrement important car un déséquilibre chimique apparent dans une atmosphère pourrait suggérer la présence de vie, nous devons donc être conscients des autres explications possibles à cela.
L’inventaire chimique WASP-39b nous a montré à quel point un outil JWST est puissant. Nous sommes au début d’une ère très excitante dans la science des exoplanètes, alors restez à l’écoute.
Cet article est republié de La conversation sous licence Creative Commons. Lis le article original.