Le concept de cet artiste montre à quoi pourrait ressembler l'exoplanète géante à gaz chaud WASP-43 b. WASP-43 b est une planète de la taille de Jupiter tournant autour d'une étoile située à environ 280 années-lumière, dans la constellation du Sextans. La planète orbite à une distance d’environ 1,3 million de miles (0,014 unités astronomiques, ou UA), effectuant un tour en 19,5 heures environ. Parce qu'elle est si proche de son étoile, WASP-43 b est probablement verrouillée par les marées : sa vitesse de rotation et sa période orbitale sont les mêmes, de sorte qu'un côté fait toujours face à l'étoile. Crédit : NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
WASP-43 b est nuageux la nuit et clair le jour, avec des vents équatoriaux hurlant autour de la planète à 5 000 milles par heure.
Parfois pas trouver quelque chose est tout aussi excitant et utile que de le trouver. Prendre chaud Jupiter WASP-43 b, par exemple. Ce monde verrouillé par les marées a un côté jour permanent et brûlant et un côté nuit un peu plus frais. Les astronomes utilisant Webb pour cartographier la température et analyser l’atmosphère autour de la planète s’attendaient à détecter du méthane, une molécule de carbone courante, du côté nocturne. Mais il n’y a clairement aucun signe de cela. Pourquoi? Le résultat suggère que des vents supersoniques de gaz chauds soufflent du côté jour, bouleversant complètement l’atmosphère et empêchant les réactions chimiques qui autrement produiraient du méthane du côté nuit.
Cette courbe de lumière montre l'évolution de la luminosité du système WASP-43 au fil du temps à mesure que la planète tourne autour de l'étoile. Ce type de courbe de lumière est appelé courbe de phase car elle inclut l’orbite entière ou toutes les phases de la planète.
Parce qu'il est verrouillé par les marées, différents côtés de WASP-43 b tournent vers la vue pendant son orbite. Le système apparaît plus brillant lorsque le côté chaud du jour fait face au télescope, juste avant et après l'éclipse secondaire lorsque la planète passe derrière l'étoile. Le système s’assombrit à mesure que la planète poursuit ses orbites et que le côté nocturne devient visible. Après le transit, lorsque la planète passe devant l'étoile, bloquant une partie de la lumière de l'étoile, le système s'éclaire à nouveau lorsque le côté jour revient dans la vue.
Crédits : NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), Taylor Bell (BAERI), Joanna Barstow (The Open University), Michael Roman (Université de Leicester)
Le télescope spatial Webb cartographie la météo sur une planète située à 280 années-lumière
Une équipe internationale de chercheurs a utilisé avec succès NASAc'est Télescope spatial James Webb cartographier la météo sur l'exoplanète géante à gaz chaud WASP-43 b.
Des mesures précises de luminosité sur un large spectre de lumière infrarouge moyen, combinées à des modèles climatiques 3D et à des observations antérieures provenant d'autres télescopes, suggèrent la présence de nuages épais et hauts couvrant le côté nuit, d'un ciel clair du côté jour et de vents équatoriaux dépassant 5 000 milles. par heure mélangeant les gaz atmosphériques autour de la planète.
L'enquête n'est que la dernière démonstration en date du exoplanète la science est désormais possible grâce à l'extraordinaire capacité de Webb à mesurer les variations de température et à détecter les gaz atmosphériques à des milliards de kilomètres.
« Jupiter chaud » verrouillé par les marées
WASP-43 b est une exoplanète de type « Jupiter chaud » : de taille similaire à Jupiter, composée principalement d'hydrogène et d'hélium, et beaucoup plus chaude que n'importe laquelle des planètes géantes de notre propre système solaire. Bien que son étoile soit plus petite et plus froide que le Soleil, WASP-43 b orbite à une distance de seulement 1,3 million de miles, soit moins de 1/25ème de la distance entre Mercure et le Soleil.
Avec une orbite aussi étroite, la planète est verrouillée par les marées, avec un côté continuellement éclairé et l’autre dans l’obscurité permanente. Bien que le côté nocturne ne reçoive jamais de rayonnement direct de l’étoile, de forts vents d’est transportent la chaleur du côté jour.
Depuis sa découverte en 2011, WASP-43 b a été observé avec de nombreux télescopes, notamment les télescopes spatiaux Hubble de la NASA et Spitzer, aujourd'hui à la retraite.
« Avec Hubble, nous avons pu voir clairement qu’il y avait de la vapeur d’eau du côté jour. Hubble et Spitzer ont tous deux suggéré qu'il pourrait y avoir des nuages du côté nocturne », a expliqué Taylor Bell, chercheur au Bay Area Environmental Research Institute et auteur principal d'une étude publiée le 30 avril dans Astronomie naturelle. « Mais nous avions besoin de mesures plus précises de Webb pour vraiment commencer à cartographier la température, la couverture nuageuse, les vents et la composition atmosphérique plus détaillée tout autour de la planète. »
Ce diagramme simplifié d'une courbe de phase d'exoplanète montre le changement de luminosité totale d'un système étoile-planète lorsque la planète tourne autour de l'étoile. Le système semble plus lumineux lorsqu’une plus grande partie de la face éclairée de la planète fait face au télescope (pleine phase). Il semble plus sombre lorsqu'une plus grande partie du côté obscur fait face au télescope (nouvelle phase), lorsque la planète bloque une partie de la lumière des étoiles (transit) et lorsque la lumière de la planète est bloquée par l'étoile (éclipse secondaire).
(En haut) Diagramme montrant le changement de phase d'une planète (la quantité de côté éclairé faisant face au télescope) lorsqu'elle orbite autour de son étoile.
(En bas) Graphique tridimensionnel montrant le changement de la luminosité totale du système étoile-planète lorsque la planète tourne autour de son étoile. Dans ce graphique, appelé courbe de lumière, le plan horizontal correspond à l'emplacement orbital et l'axe vertical correspond à la luminosité.
(À droite) Barre d’échelle. Dans le diagramme orbital et dans la courbe de lumière, la couleur indique la luminosité observée de l'étoile + de la planète : du violet foncé (moins de lumière détectée) au blanc (plus de lumière détectée).
Les chercheurs utilisent des courbes de phase pour étudier les variations de réflectivité et de température d’une planète avec la longitude (d’un côté à l’autre), ce qui peut donner un aperçu de la composition de la surface et des conditions atmosphériques de la planète.
Crédits : NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI), Andi James (STScI), Greg Bacon (STScI)
Cartographier la température et déduire la météo
Bien que WASP-43 b soit trop petit, faible et trop proche de son étoile pour qu'un télescope puisse le voir directement, sa courte période orbitale de seulement 19,5 heures le rend idéal pour la spectroscopie de courbe de phase, une technique qui consiste à mesurer de minuscules changements de luminosité de l'étoile. système étoile-planète lorsque la planète tourne autour de l’étoile.
Étant donné que la quantité de lumière infrarouge moyenne émise par un objet dépend en grande partie de sa chaleur, les données de luminosité capturées par Webb peuvent ensuite être utilisées pour calculer la température de la planète.
L'équipe a utilisé le MIRI (Mid-Infrared Instrument) de Webb pour mesurer la lumière du système WASP-43 toutes les 10 secondes pendant plus de 24 heures. « En observant sur une orbite entière, nous avons pu calculer la température des différents côtés de la planète lorsqu'ils tournent vers notre vue », a expliqué Bell. « À partir de là, nous pourrions construire une carte approximative des températures à travers la planète. »
Les mesures montrent que le côté jour a une température moyenne de près de 2 300 degrés. Fahrenheit (1 250 degrés Celsius) – suffisamment chaud pour forger du fer. Pendant ce temps, la nuit est nettement plus fraîche à 1 100 degrés Fahrenheit (600 degrés Celsius). Les données permettent également de localiser le point le plus chaud de la planète (le « point chaud »), qui est légèrement décalé vers l'est par rapport au point qui reçoit le plus de rayonnement stellaire, là où l'étoile est la plus haute dans le ciel de la planète. Ce changement se produit à cause des vents supersoniques, qui déplacent l’air chauffé vers l’est.
« Le fait que nous puissions cartographier la température de cette manière est un véritable témoignage de la sensibilité et de la stabilité de Webb », a déclaré Michael Roman, co-auteur de l'Université de Leicester au Royaume-Uni.
Pour interpréter la carte, l’équipe a utilisé des modèles atmosphériques 3D complexes comme ceux utilisés pour comprendre la météo et le climat sur Terre. L’analyse montre que la partie nocturne est probablement recouverte d’une épaisse et haute couche de nuages qui empêchent une partie de la lumière infrarouge de s’échapper vers l’espace. En conséquence, la nuit – bien que très chaude – semble plus sombre et plus fraîche qu’elle ne le serait s’il n’y avait pas de nuages.
Cet ensemble de cartes montre la température de la face visible de l'exoplanète géante à gaz chaud WASP-43 b, lorsque la planète tourne autour de son étoile. Les températures ont été calculées sur la base de plus de 8 000 mesures de luminosité de lumière infrarouge moyenne de 5 à 12 microns détectées dans le système étoile-planète par MIRI (l'instrument infrarouge moyen) sur le télescope spatial James Webb de la NASA. En général, plus un objet est chaud, plus il émet de lumière infrarouge moyenne. Crédits : NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), Taylor Bell (BAERI), Joanna Barstow (The Open University), Michael Roman (Université de Leicester)
Méthane manquant et vents violents
Le large spectre de lumière infrarouge moyen capturé par Webb a également permis de mesurer la quantité de vapeur d'eau (H2O) et le méthane (CH4) autour de la planète. « Webb nous a donné l'opportunité de déterminer exactement quelles molécules nous observons et de fixer certaines limites à leur abondance », a déclaré Joanna Barstow, co-auteur de l'Open University au Royaume-Uni.
Les spectres montrent des signes clairs de vapeur d'eau du côté nocturne ainsi que du côté jour de la planète, fournissant des informations supplémentaires sur l'épaisseur des nuages et leur hauteur dans l'atmosphère.
Étonnamment, les données montrent également une nette manque de méthane n'importe où dans l'atmosphère. Bien que le côté jour soit trop chaud pour que le méthane existe (la majeure partie du carbone devrait être sous forme de monoxyde de carbone), le méthane devrait être stable et détectable du côté nuit, plus frais.
« Le fait que nous ne voyons pas de méthane nous indique que WASP-43 b doit avoir des vitesses de vent atteignant environ 5 000 milles par heure », a expliqué Barstow. « Si les vents déplacent le gaz du côté jour vers le côté nuit et inversement assez rapidement, il n'y a pas assez de temps pour que les réactions chimiques attendues produisent des quantités détectables de méthane du côté nuit. »
L'équipe pense qu'en raison de ce mélange provoqué par le vent, la chimie atmosphérique est la même sur toute la planète, ce qui n'était pas évident lors de travaux antérieurs avec Hubble et Spitzer.
L'observation MIRI de WASP-43 b a été réalisée dans le cadre des programmes Webb Early Release Science, qui fournissent aux chercheurs un vaste ensemble de données robustes et en libre accès pour étudier un large éventail de phénomènes cosmiques.
Le télescope spatial James Webb est le premier observatoire scientifique spatial au monde. Webb résout les mystères de notre système solaire, regarde au-delà des mondes lointains autour d'autres étoiles et sonde les structures et origines mystérieuses de notre univers et la place que nous y occupons. Webb est un programme international mené par la NASA avec ses partenaires, l'ESA (Agence spatiale européenne) et l'Agence spatiale canadienne.
