La Planet Wasp-121b est extrême. C’est un géant du gaz presque deux fois plus grand que Jupiter en orbite mûr extrêmement près de son étoile – 50 fois plus près que la Terre autour du soleil. Wasp-121b est si proche de son étoile que les forces de marée ont verrouillé sa rotation dans une « résonance »: la planète montre toujours le même visage à son étoile, comme la lune à la terre. Par conséquent, un côté de WASP-121b cuit constamment dans la lumière alors que l’autre est en nuit perpétuelle. Cette différence provoque d’énormes variations de température à travers la planète. Il peut être supérieur à 3 000 ° C d’un côté et tomber de 1 500 ° C de l’autre.
Cet énorme contraste de température est la source de vents violents, soufflant plusieurs kilomètres par seconde, qui tentent de redistribuer l’énergie du jour au soir. Jusqu’à présent, nous devions deviner la force et la direction des vents avec des mesures indirectes, telles que les mesures de la température de la planète. Ces dernières années, avec l’arrivée de nouveaux instruments sur des télescopes géants, nous avons pu mesurer directement la vitesse du vent de certaines exoplanètes, notamment WASP-121b.
Dans Notre étude publiée dans la revue Nature Cela a été mené par mon collègue, Julia Seidel, nous avons non seulement regardé la vitesse du vent sur une exoplanet, mais aussi comment ces vents varient avec l’altitude. Nous avons pu mesurer pour la première fois que les vents dans les couches les plus profondes de l’atmosphère sont très différentes de celles à des altitudes plus élevées. Autrement dit: sur Terre, les vents soufflant quelques dizaines de kilomètres par heure rendent déjà difficile de faire du vélo; Sur WASP-121b, le pédalage serait impossible, car les vents sont cent fois plus rapides.
Nos mesures révèlent le comportement d’une zone pivot de l’atmosphère qui forme le lien entre l’atmosphère profonde – généralement étudiée par des télescopes tels que le télescope spatial James Webb – et les zones extérieures où l’atmosphère s’échappe dans l’espace, soufflée par le vent provenant de son étoile.
Comment avons-nous mesuré l’atmosphère d’une planète à des milliards de milliards de kilomètres?
Pour faire nos mesures, nous avons utilisé l’un des spectrographes les plus précis sur Terre, monté sur le plus grand télescope disponible: Espresso à la Observatoire du Sud européen (ESO) très grand télescope (VLT), situé dans le désert d’Atacama au Chili. Pour collecter autant de lumière que possible, nous avons combiné la lumière des quatre télescopes de 8 mètres de diamètre du VLT. Grâce à cette combinaison, qui est toujours en cours de test, nous avons collecté autant de lumière qu’un télescope de 16 mètres de diamètre – qui serait plus grand que n’importe quel télescope optique sur Terre.
Le spectrographe d’espresso ultra-précis nous a ensuite permis de séparer la lumière de la planète en 1,3 million de longueurs d’onde. Cela nous permet d’observer autant de couleurs dans le spectre visible. Cette précision est nécessaire pour détecter différents types d’atomes dans l’atmosphère de la planète. Cette fois, nous avons étudié comment trois types d’atomes différents – Absorb Light de l’étoile: hydrogène, sodium et fer (le tout dans un état gazeux, compte tenu des températures très élevées).
En mesurant très précisément la position de ces lignes spectrales, nous avons pu mesurer directement la vitesse de ces atomes. L’effet Doppler nous dit qu’un atome qui nous arrivera vers nous absorbera plus de lumière bleue, tandis qu’un atome s’éloignant de nous absorbera plus de lumière rouge. En mesurant la longueur d’onde d’absorption de chacun de ces atomes, nous avons autant de mesures différentes de la vitesse du vent sur cette planète.
Nous avons constaté que les lignes des différents atomes racontent différentes histoires. Le fer se déplace à 5 kilomètres par seconde du point substrade (la région de la planète la plus proche de son étoile hôte) du point anti-stellaire (le plus éloigné) d’une manière très symétrique. Le sodium, en revanche, se divise en deux: certains des atomes se déplacent comme du fer, tandis que les autres se déplacent à l’équateur directement d’est en ouest quatre fois plus rapidement, à la vitesse stupéfiante de 20 kilomètres par seconde. Enfin, l’hydrogène semble se déplacer avec le courant est-ouest du sodium mais, également, verticalement, lui permettant sans aucun doute de s’échapper de la planète.
Pour concilier tout cela, nous avons calculé que ces trois atomes différents sont, en fait, dans différentes parties de l’atmosphère. Alors que les atomes de fer se trouvent sur les couches plus profondes, où la circulation symétrique est attendue, le sodium et l’hydrogène nous ont fait sonder des couches beaucoup plus élevées, où l’atmosphère de la planète est soufflée par le vent provenant de son étoile hôte. Ce vent stellaire, combiné à la rotation de la planète, porte probablement le matériau asymétriquement, avec une direction préférentielle donnée par la rotation de la planète.
Pourquoi étudier les atmosphères des exoplanètes?
WASP-121B est l’une de ces planètes gazeuses géantes avec des températures de plus de 1 000 ° C appelées «Jupiters chauds». La première observation de ces planètes par Michel Mayor et Didier Queloz (ce qui leur a valu plus tard un prix Nobel en physique) a été une surprise en 1995, en particulier parce que les modèles de formation planétaire ont prédit que ces planètes géantes ne pouvaient pas se former si près de leur étoile. L’observation du maire et de Queloz nous a fait réaliser que les planètes ne se forment pas nécessairement là où ils se trouvent actuellement. Au lieu de cela, ils peuvent migrer, c’est-à-dire se déplacer dans leur jeunesse.
À quelle distance de leur star fait la forme « Hot Jupiters »? Sur quelles distances ces objets migrent-ils à leurs balbutiements? Pourquoi Jupiter dans notre système solaire n’a-t-il pas migré vers le soleil? (Nous avons de la chance que ce ne soit pas le cas, car il aurait envoyé la Terre dans notre étoile en même temps.)
Certaines réponses à ces questions peuvent résider dans l’atmosphère des exoplanètes, qui présentent des traces des conditions de leur formation. Cependant, les variations de température ou de composition chimique dans chaque atmosphère peuvent radicalement fausser l’abondance de mesures que nous essayons de prendre avec de grands télescopes tels que le James Webb. Afin d’exploiter nos mesures, nous devons d’abord comprendre à quel point ces atmosphères sont complexes.
Pour ce faire, nous devons comprendre les mécanismes fondamentaux qui régissent l’atmosphère de ces planètes. Dans le système solaire, les vents peuvent être mesurés directement par, par exemple, en regardant à quelle vitesse les nuages se déplacent. Sur Exoplanets, nous ne pouvons voir aucun détail directement.
En particulier, « Hot Jupiters » orbit si près de leurs étoiles que nous ne pouvons pas les séparer spatialement et prendre des photos des exoplanètes. Au lieu de cela, parmi les milliers d’exoplanètes connus, nous sélectionnons Ceux qui ont le bon goût de passer périodiquement entre leur étoile et nous. Au cours de ce «transit», la lumière de l’étoile est filtrée par l’atmosphère de la planète, ce qui nous permet de mesurer les signes d’absorption par différents atomes ou molécules. En général, les données que nous obtenons ne sont pas assez bonnes pour séparer la lumière qui passe d’un côté de la planète de l’autre, et nous nous retrouvons avec une moyenne de ce que l’atmosphère a absorbée. Comme les conditions le long du membre atmosphérique (c’est-à-dire, la tranche d’atmosphère entourant une planète comme observée dans l’espace) peut varier considérablement, l’interprétation de la moyenne finale est souvent un mal de tête.
Cette fois, en utilisant un télescope qui, en fait, est plus grand que tout autre télescope optique sur Terre, et le combinant avec un spectrographe extrêmement précis, nous avons pu séparer le signal absorbé par le côté est du membre de la planète du signal absorbé par le côté ouest. Cela nous a permis de mesurer la variation spatiale des vents de la planète.
L’avenir de l’étude atmosphérique des exoplanètes
L’Europe construit actuellement la prochaine génération de télescopes, dirigée par le télescope extrêmement grand de l’ESO, qui est prévu pour 2030. L’ELT aura un miroir de 30 mètres de diamètre, deux fois la taille du télescope que nous avons obtenu en combinant la lumière des quatre télescopes de 8 mètres du VLT.
Ce télescope géant rassemblera des détails encore plus précis sur les atmosphères des exoplanètes. En particulier, il mesurera les vents dans les exoplanètes à la fois plus petits et plus froids que les «Jupiters chauds».
Mais ce que nous attendons tous vraiment, c’est la capacité de l’ELT à mesurer la présence de molécules dans l’atmosphère des planètes rocheuses en orbite dans la zone habitable de leur étoile, où l’eau peut être présente dans un état liquide.
Cet article est republié à partir de La conversation sous une licence créative Commons. Lire le article original.