Bien qu'ils n'orbitent pas autour de notre soleil, les sous-neptunes sont le type d'exoplanet le plus courant, ou planète en dehors de notre système solaire, qui ont été observés dans notre galaxie. Ces petites planètes gazeuses sont enveloppées de mystère… et souvent, beaucoup de brume. Maintenant, en observant Exoplanet TOI-421 B, le télescope spatial James Webb de la NASA aide les scientifiques à comprendre les sous-neptunes d'une manière qui n'était pas possible avant le lancement du télescope.
« J'attendais toute ma carrière pour Webb afin que nous puissions caractériser de manière significative les atmosphères de ces petites planètes », a déclaré l'enquêteur principale Eliza Kempton de l'Université du Maryland, College Park. « En étudiant leurs atmosphères, nous avons une meilleure compréhension de la façon dont les sous-neptunes se sont formés et évolués, et cela comprend pourquoi ils n'existent pas dans notre système solaire. »
Les résultats sont publiés dans Les lettres de journal astrrophysique.
Petit, frais, enveloppé de brume
L'existence de sous-neptunes était inattendue avant d'être découvertes par le télescope spatial Kepler à la retraite de la NASA au cours de la dernière décennie. Maintenant, les astronomes essaient de comprendre d'où viennent ces planètes et pourquoi ils sont si communs.
Avant Webb, les scientifiques avaient très peu d'informations à leur sujet. Bien que les sous-neptunes soient plusieurs fois plus grands que la Terre, ils sont encore beaucoup plus petits que les planètes géants du gaz et généralement plus frais que les jupiters chauds, ce qui les rend beaucoup plus difficiles à observer que leurs homologues géants de gaz.
Une découverte clé avant Webb était que la plupart des atmosphères sous-neptuniques avaient des spectres de transmission plats ou sans traits. Cela signifie que lorsque les scientifiques ont observé le spectre de la planète lorsqu'il passait devant son étoile hôte, au lieu de voir des caractéristiques spectrales – les empreintes digitales chimiques qui révéleraient la composition de l'atmosphère – ils ne voyaient qu'un spectre plate. Les astronomes ont conclu de tous ces spectres à ligne plate qu'au moins certains sous-neptunes étaient probablement très très obscurcis par les nuages ou les dangers.
Un autre type de sous-neptune?
« Pourquoi avons-nous observé cette planète, TOI-421 B? C'est parce que nous pensions que cela n'aurait peut-être pas de dangers », a déclaré Kempton. « Et la raison en est qu'il y avait des données antérieures qui impliquaient que peut-être les planètes sur une certaine plage de température étaient moins enrichies de brume ou de nuages que d'autres. »
Ce seuil de température est d'environ 1 070 degrés Fahrenheit. En dessous, les scientifiques ont émis l'hypothèse qu'un ensemble complexe de réactions photochimiques se produirait entre la lumière du soleil et le gaz méthane, et cela déclencherait la brume. Mais les planètes plus chaudes ne devraient pas avoir de méthane et ne devraient donc pas avoir de brume.
La température de TOI-421 B est d'environ 1 340 degrés Fahrenheit, bien au-dessus du seuil présumé. Sans brume ni nuages, les chercheurs s'attendaient à voir une atmosphère claire – et ils l'ont fait!
Une découverte surprenante
« Nous avons vu des caractéristiques spectrales que nous attribuons à divers gaz, et cela nous a permis de déterminer la composition de l'atmosphère », a déclaré Brian Davenport de l'Université du Maryland, un doctorat de troisième année. Étudiant qui a effectué l'analyse des données primaires.
« Alors qu'avec de nombreux autres sous-neptunes qui avaient été observés auparavant, nous savons que leurs atmosphères sont faites de quelque chose, mais elles sont bloquées par la brume. »
L'équipe a trouvé une vapeur d'eau dans l'atmosphère de la planète, ainsi que des signatures provisoires de monoxyde de carbone et de dioxyde de soufre. Ensuite, il y a des molécules qu'ils n'ont pas détectées, comme le méthane et le dioxyde de carbone. À partir des données, ils peuvent également déduire qu'une grande quantité d'hydrogène se trouve dans l'atmosphère de TOI-421 B.
L'atmosphère hydrogène légère a été la grande surprise pour les chercheurs. « Nous avions récemment enroulé notre esprit autour de l'idée que ces premiers sous-neptunes observés par Webb avaient des atmosphères de molécule lourde, de sorte que cela était devenu notre attente, puis nous avons trouvé le contraire », a déclaré Kempton. Cela suggère que TOI-421 B peut s'être formé et évolué différemment des sous-neptunes plus froids observés précédemment.
TOI-421 B est-il unique?
L'atmosphère dominée par l'hydrogène est également intéressante car elle imite la composition de l'étoile hôte de TOI-421 B. « Si vous venez de prendre le même gaz qui a fait l'étoile de l'hôte, de l'avoir plongé sur l'atmosphère d'une planète et de la mettre à la température beaucoup plus fraîche de cette planète, vous obtiendrez la même combinaison de gaz. Ce processus est plus conforme aux planètes géantes de notre système solaire, et il est différent des autres sous-représentants qui ont été observés avec Webb jusqu'à présent », a déclaré Kempton.
En plus d'être plus chaud que les autres sous-neptunes précédemment observés avec Webb, TOI-421 B orbite une étoile semblable à un soleil. La plupart des autres sous-neptunes qui ont été observés jusqu'à présent en orbite plus petits, des étoiles plus fraîches appelées naines rouges.
TOI-421B est-il emblématique de sous-neptunes chauds en orbite des étoiles de soleil, ou est-ce simplement que les exoplanètes sont très divers? Pour le savoir, les chercheurs souhaitent observer plus de sous-neptunes chauds pour déterminer s'il s'agit d'un cas unique ou d'une tendance plus large. Ils espèrent mieux comprendre la formation et l'évolution de ces exoplanètes communes.
« Nous avons débloqué une nouvelle façon de regarder ces sous-neptunes », a déclaré Davenport. « Ces planètes à haute température se prêtent à la caractérisation. Donc, en examinant les sous-neptunes de cette température, nous sommes peut-être plus susceptibles d'accélérer notre capacité à en apprendre davantage sur ces planètes. »
