Représentation artistique de l’exoplanète chaude WASP-80 b dont la couleur peut paraître bleuâtre aux yeux humains en raison de l’absence de nuages à haute altitude et de la présence de méthane atmosphérique identifié par le télescope spatial James Webb de la NASA, semblable aux planètes Uranus et Neptune dans notre propre système solaire. Crédit : NASA
NASAc’est Télescope spatial James Webb a détecté du méthane dans l’atmosphère du exoplanète WASP-80 b, une étape importante dans l’exploration spatiale. Cette découverte, confirmée par des méthodes avancées d’analyse de la lumière, met en lumière la formation de la planète et permet des comparaisons avec les planètes de notre système solaire.
Le télescope spatial James Webb de la NASA a observé l’exoplanète WASP-80 b alors qu’elle passait devant et derrière son étoile hôte, révélant des spectres révélateurs d’une atmosphère contenant du méthane et de la vapeur d’eau. Alors que de la vapeur d’eau a été détectée à ce jour sur plus d’une douzaine de planètes, jusqu’à récemment, le méthane, une molécule présente en abondance dans l’atmosphère de Jupiter, Saturne, Uranuset Neptune au sein de notre système solaire – est resté insaisissable dans les atmosphères des exoplanètes en transit lorsqu’il est étudié par spectroscopie spatiale.
Taylor Bell du Bay Area Environmental Research Institute (BAERI), travaillant au Ames Research Center de la NASA dans la Silicon Valley en Californie, et Luis Welbanks de l’Arizona State University nous en disent plus sur l’importance de la découverte de méthane dans l’atmosphère des exoplanètes et expliquent comment les observations de Webb ont facilité la découverte du méthane. identification de cette molécule très recherchée. Ces résultats ont été récemment publiés dans la revue scientifique Nature.
Comprendre le « Jupiter chaud » WASP-80 b
« Avec une température d’environ 825 kelvins (environ 1 025 degrés Fahrenheit), WASP-80 b est ce que les scientifiques appellent un « Jupiter chaud », c’est-à-dire des planètes similaires en taille et en masse à la planète Jupiter dans notre système solaire, mais dont la température se situe entre celles des Jupiters chauds, comme les 1 450 °C. K (2 150 °F) HD 209458 b (la première exoplanète en transit découverte) et des Jupiters froids, comme le nôtre qui mesure environ 125 K (235 °F). WASP-80 b fait le tour de son étoile naine rouge une fois tous les trois jours et se situe à 163 années-lumière de nous dans la constellation de l’Aquila. Parce que la planète est si proche de son étoile et que les deux sont si loin de nous, nous ne pouvons pas voir la planète directement, même avec les télescopes les plus avancés comme Webb. Au lieu de cela, les chercheurs étudient la lumière combinée de l’étoile et de la planète en utilisant la méthode du transit (qui a été utilisée pour découvrir la plupart des exoplanètes connues) et la méthode de l’éclipse.
Techniques d’observation innovantes
En utilisant la méthode du transit, nous avons observé le système lorsque la planète se déplaçait devant son étoile de notre point de vue, provoquant une légère diminution de la lumière des étoiles que nous voyons. C’est un peu comme quand quelqu’un passe devant une lampe et que la lumière diminue. Pendant ce temps, un mince anneau de l’atmosphère de la planète autour de la frontière jour/nuit de la planète est éclairé par l’étoile, et à certaines couleurs de lumière où les molécules de l’atmosphère de la planète absorbent la lumière, l’atmosphère semble plus épaisse et bloque davantage la lumière des étoiles. provoquant une gradation plus profonde par rapport aux autres longueurs d’onde où l’atmosphère apparaît transparente. Cette méthode aide les scientifiques comme nous à comprendre de quoi est composée l’atmosphère de la planète en voyant quelles couleurs de lumière sont bloquées.
Pendant ce temps, en utilisant la méthode des éclipses, nous avons observé le système alors que la planète passait derrière son étoile de notre point de vue, provoquant une autre petite baisse de la lumière totale que nous avons reçue. Tous les objets émettent de la lumière, appelée rayonnement thermique, dont l’intensité et la couleur dépendent de la chaleur de l’objet. Juste avant et après l’éclipse, le côté chaud de la planète est dirigé vers nous, et en mesurant la baisse de la lumière pendant l’éclipse, nous avons pu mesurer la lumière infrarouge émise par la planète. Pour les spectres d’éclipse, l’absorption par les molécules de l’atmosphère de la planète apparaît généralement comme une réduction de la lumière émise par la planète à des longueurs d’onde spécifiques. De plus, comme la planète est beaucoup plus petite et plus froide que son étoile hôte, la profondeur d’une éclipse est bien inférieure à la profondeur d’un transit.
Le spectre de transit mesuré (en haut) et le spectre d’éclipse (en bas) de WASP-80 b à partir du mode de spectroscopie sans fente du NIRCam sur le télescope spatial James Webb de la NASA. Dans les deux spectres, il existe des preuves claires de l’absorption de l’eau et du méthane dont les contributions sont indiquées par des contours colorés. Lors d’un transit, la planète passe devant l’étoile et, dans un spectre de transit, la présence de molécules fait que l’atmosphère de la planète bloque davantage de lumière à certaines couleurs, provoquant une atténuation plus profonde à ces longueurs d’onde. Lors d’une éclipse, la planète passe derrière l’étoile et, dans ce spectre d’éclipse, les molécules absorbent une partie de la lumière émise par la planète dans des couleurs spécifiques, ce qui entraîne une baisse de luminosité plus faible pendant l’éclipse par rapport à un transit. Crédit : BAERI/NASA/Taylor Bell
Analyse des données spectrales
Les premières observations que nous avions faites devaient être transformées en quelque chose que nous appelons un spectre ; il s’agit essentiellement d’une mesure montrant la quantité de lumière bloquée ou émise par l’atmosphère de la planète à différentes couleurs (ou longueurs d’onde) de lumière. Il existe de nombreux outils différents pour transformer les observations brutes en spectres utiles. Nous avons donc utilisé deux approches différentes pour nous assurer que nos résultats étaient robustes face à différentes hypothèses. Ensuite, nous avons interprété ce spectre à l’aide de deux types de modèles pour simuler à quoi ressemblerait l’atmosphère d’une planète dans des conditions aussi extrêmes. Le premier type de modèle est entièrement flexible, essayant des millions de combinaisons d’abondances et de températures de méthane et d’eau pour trouver la combinaison qui correspond le mieux à nos données. Le deuxième type, appelé « modèles auto-cohérents », explore également des millions de combinaisons mais utilise nos connaissances existantes en physique et en chimie pour déterminer les niveaux de méthane et d’eau auxquels on pourrait s’attendre. Les deux types de modèles sont arrivés à la même conclusion : une détection définitive du méthane.
Pour valider nos résultats, nous avons utilisé des méthodes statistiques robustes pour évaluer la probabilité que notre détection soit un bruit aléatoire. Dans notre domaine, nous considérons que la « norme de référence » est ce qu’on appelle une « détection 5-sigma », ce qui signifie que la probabilité qu’une détection soit provoquée par un bruit aléatoire est de 1 sur 1,7 million. Pendant ce temps, nous avons détecté du méthane à 6,1 sigma dans les spectres de transit et d’éclipse, ce qui fixe les chances d’une détection parasite dans chaque observation à 1 sur 942 millions, dépassant l’étalon-or de 5 sigma et renforçant notre confiance dans les deux. détections.
Implications de la détection du méthane
Avec une détection aussi fiable, non seulement nous avons trouvé une molécule très insaisissable, mais nous pouvons maintenant commencer à explorer ce que cette composition chimique nous dit sur la naissance, la croissance et l’évolution de la planète. Par exemple, en mesurant la quantité de méthane et d’eau sur la planète, nous pouvons déduire le rapport entre les atomes de carbone et les atomes d’oxygène. Ce rapport devrait changer en fonction de l’endroit et du moment où les planètes se forment dans leur système. Ainsi, l’examen de ce rapport carbone/oxygène peut fournir des indices permettant de savoir si la planète s’est formée près de son étoile ou plus loin avant de se déplacer progressivement vers l’intérieur.
Une autre chose qui nous enthousiasme à propos de cette découverte est l’opportunité de comparer enfin les planètes situées en dehors de notre système solaire à celles qui s’y trouvent. La NASA a l’habitude d’envoyer des vaisseaux spatiaux vers les géantes gazeuses de notre système solaire pour mesurer la quantité de méthane et d’autres molécules dans leur atmosphère. Désormais, en mesurant le même gaz dans une exoplanète, nous pouvons commencer à effectuer une comparaison « pommes avec des pommes » et voir si les attentes du système solaire correspondent à ce que nous voyons à l’extérieur de celui-ci.
Perspectives d’avenir avec le télescope spatial James Webb
Enfin, alors que nous envisageons les découvertes futures avec Webb, ce résultat nous montre que nous sommes à l’aube de découvertes plus intéressantes. Des observations supplémentaires MIRI et NIRCam de WASP-80 b avec Webb nous permettront de sonder les propriétés de l’atmosphère à différentes longueurs d’onde de lumière. Nos résultats nous amènent à penser que nous pourrons observer d’autres molécules riches en carbone telles que le monoxyde de carbone et le dioxyde de carbone, ce qui nous permettra de dresser un tableau plus complet des conditions de l’atmosphère de cette planète.
De plus, à mesure que nous trouvons du méthane et d’autres gaz dans les exoplanètes, nous continuerons à élargir nos connaissances sur le fonctionnement de la chimie et de la physique dans des conditions différentes de celles que nous connaissons sur Terre, et peut-être bientôt, sur d’autres planètes qui nous rappellent ce que nous avons ici. à la maison. Une chose est claire : le voyage de découverte avec le télescope spatial James Webb regorge de surprises potentielles.
À propos des auteurs:
- Taylor Bell est chercheur postdoctoral au Bay Area Environmental Research Institute (BAERI), travaillant au Ames Research Center de la NASA dans la Silicon Valley en Californie.
- Luis Welbanks est un boursier Hubble de la NASA à l’Arizona State University à Tempe, en Arizona.
