Atmosphère extraterrestre : Webb détecte de la vapeur d’eau, du dioxyde de soufre et des nuages ​​de sable dans une exoplanète voisine

Une équipe d’astronomes a utilisé des observations récentes faites avec le Télescope spatial James Webb pour étudier l’atmosphère des environs exoplanète GUÊPE-107 b. En scrutant profondément l’atmosphère pelucheuse de WASP-107b, ils ont découvert non seulement de la vapeur d’eau et du dioxyde de soufre, mais même des nuages ​​​​de sable silicaté. Ces particules résident dans une atmosphère dynamique qui présente un transport vigoureux de matière.

Les astronomes du monde entier exploitent les capacités avancées de l’instrument MIRI (Infrarouge moyen) à bord du télescope spatial James Webb (JWST) pour effectuer des observations révolutionnaires d’exoplanètes, c’est-à-dire des planètes en orbite autour d’étoiles autres que notre propre Soleil. L’un de ces mondes fascinants est WASP-107 b, une exoplanète gazeuse unique qui orbite autour d’une étoile légèrement plus froide et moins massive que notre Soleil, qui a été observée par une équipe d’astronomes européens, codirigée par des chercheurs de l’Institut d’astronomie de KU. Louvain.

La masse de la planète est similaire à celle de Neptune mais sa taille est beaucoup plus grande que celle de Neptune, approchant presque la taille de Jupiter. Cette caractéristique rend WASP-107b plutôt « duveteux » par rapport aux planètes géantes gazeuses de notre système solaire. Le caractère moelleux de cette exoplanète permet aux astronomes d’observer son atmosphère environ 50 fois plus profondément que la profondeur d’exploration obtenue pour un géant du système solaire comme Jupiter.

WASP-107b est une exoplanète gazeuse unique qui orbite autour d’une étoile légèrement plus froide et moins massive que notre Soleil.

Analyse atmosphérique approfondie

L’équipe d’astronomes européens a pleinement profité du caractère remarquablement moelleux de cette exoplanète, leur permettant d’observer en profondeur son atmosphère. Cette opportunité a ouvert une fenêtre sur la composition chimique complexe de son atmosphère. La raison en est assez simple : les signaux, ou caractéristiques spectrales, sont bien plus visibles dans une atmosphère moins dense que dans une atmosphère plus compacte. Leur étude récente, maintenant publiée dans Naturerévèle la présence de vapeur d’eau, de dioxyde de soufre (SO₂), et des nuages ​​silicatés, mais surtout, il n’y a aucune trace du gaz à effet de serre méthane (CH₄).

Ces détections fournissent des informations cruciales sur la dynamique et la chimie de cette exoplanète captivante. Premièrement, l’absence de méthane laisse présager un intérieur potentiellement chaud, offrant un aperçu alléchant du mouvement de l’énergie thermique dans l’atmosphère de la planète. Deuxièmement, la découverte de dioxyde de soufre (connu pour son odeur d’allumettes brûlées) a été une surprise majeure. Les modèles précédents avaient prédit son absence, mais de nouveaux modèles climatiques de l’atmosphère de WASP-107b montrent désormais que le caractère pelucheux même de WASP-107b s’adapte à la formation de dioxyde de soufre dans son atmosphère. Même si son étoile hôte émet une fraction relativement faible de photons de haute énergie en raison de sa nature plus froide, ces photons peuvent pénétrer profondément dans l’atmosphère de la planète grâce à sa nature pelucheuse. Cela permet aux réactions chimiques nécessaires à la production de dioxyde de soufre de se produire.

Un spectre de transmission de l’exoplanète chaude Neptune WASP-107b, capturé par le spectromètre basse résolution (LRS) de l’instrument infrarouge moyen (MIRI) à bord du JWST, révèle des preuves de la présence de vapeur d’eau, de dioxyde de soufre et de nuages ​​de silicate (sable) dans le l’atmosphère de la planète. Crédit : Michiel Min / Equipe européenne MIRI EXO GTO / ESA / NASA

Composition et dynamique des nuages

Mais ce n’est pas tout ce qu’ils ont observé. Les caractéristiques spectrales du dioxyde de soufre et de la vapeur d’eau sont considérablement réduites par rapport à ce qu’elles seraient dans un scénario sans nuages. Les nuages ​​​​de haute altitude masquent partiellement la vapeur d’eau et le dioxyde de soufre présents dans l’atmosphère. Bien que des nuages ​​aient été déduits sur d’autres exoplanètes, c’est la première fois que les astronomes peuvent identifier de manière définitive la composition chimique de ces nuages. Dans ce cas, les nuages ​​sont constitués de petites particules de silicate, une substance familière aux humains que l’on retrouve dans de nombreuses régions du monde comme constituant principal du sable.

« JWST révolutionne la caractérisation des exoplanètes, fournissant des informations sans précédent à une vitesse remarquable », déclare l’auteur principal, le professeur Leen Decin de la KU Leuven. « La découverte de nuages ​​de sable, d’eau et de dioxyde de soufre sur cette exoplanète pelucheuse par l’instrument MIRI de JWST est une étape cruciale. Il remodèle notre compréhension de la formation et de l’évolution des planètes, apportant un nouvel éclairage sur notre propre système solaire.

En scrutant profondément l’atmosphère pelucheuse de WASP-107, une équipe d’astronomes européens a découvert non seulement de la vapeur d’eau et du dioxyde de soufre, mais même des nuages ​​​​de sable silicaté. Crédit : Illustration : LUCA School of Arts, Belgique/ Klaas Verpoest (visuels), Johan Van Looveren (typographie). Sciences : Achrène Dyrek (CEA et Université Paris Cité, France), Michiel Min (SRON, Pays-Bas), Leen Decin (KU Leuven, Belgique) / Equipe européenne MIRI EXO GTO / ESA / NASA

Température et formation des nuages

Contrairement à l’atmosphère terrestre, où l’eau gèle à basse température, sur les planètes gazeuses, elle atteint des températures autour de 1 000 degrés. Celsius (~1800 degrés Fahrenheit), les particules de silicate peuvent geler pour former des nuages. Cependant, dans le cas de WASP-107 b, avec une température d’environ 500 degrés Celsius (~900 degrés Fahrenheit) dans l’atmosphère extérieure, les modèles traditionnels prédisaient que ces nuages ​​​​de silicate devraient se former plus profondément dans l’atmosphère, où les températures sont considérablement plus élevées. . De plus, les nuages ​​de sable situés en hauteur dans l’atmosphère tombent en pluie. Comment est-il alors possible que ces nuages ​​de sable existent à haute altitude et continuent à perdurer ?

Selon l’auteur principal, le Dr Michiel Min : « Le fait que nous voyons ces nuages ​​de sable en hauteur dans l’atmosphère doit signifier que les gouttelettes de pluie de sable s’évaporent dans des couches plus profondes et très chaudes, et que la vapeur de silicate qui en résulte est efficacement remontée vers le haut, où ils se recondensent pour former à nouveau des nuages ​​​​de silicate. Ceci est très similaire au cycle de la vapeur d’eau et des nuages ​​sur notre propre Terre, mais avec des gouttelettes constituées de sable. Ce cycle continu de sublimation et de condensation par transport vertical est responsable de la présence durable de nuages ​​de sable dans l’atmosphère de WASP-107 b.

Le télescope spatial James Webb a été conçu pour étudier les atmosphères des exoplanètes et pourrait déterminer si ces planètes sont habitables ou contiennent des biosignatures. Crédit : Northrop Grumman

Avancées dans la recherche exoplanétaire

Cette recherche pionnière met non seulement en lumière le monde exotique de WASP-107b, mais repousse également les limites de notre compréhension des atmosphères exoplanétaires. Il marque une étape importante dans l’exploration exoplanétaire, révélant l’interaction complexe des produits chimiques et des conditions climatiques sur ces mondes lointains.

« JWST permet une caractérisation atmosphérique profonde d’une exoplanète qui n’a pas d’équivalent dans notre système solaire, nous découvrons de nouveaux mondes ! » déclare le Dr Achrène Dyrek, auteur principal du CEA Paris.

Conception et développement de l’instrument MIRI

Grâce au financement de la politique scientifique fédérale belge BELSPO via le programme ESA PRODEX, des ingénieurs et scientifiques belges ont joué un rôle clé dans la conception et le développement de l’instrument MIRI, notamment le Centre Spatial de Liège (CSL), Thales Alenia Space (Charleroi ) et OIP Sensor Systems (Audenarde). À l’Institut d’Astronomie de la KU Leuven, les scientifiques de l’instrument ont testé l’instrument MIRI de manière approfondie dans des chambres d’essai spéciales simulant l’environnement spatial dans des laboratoires du Royaume-Uni, à NASA Centres Goddard et NASA Johnson Space.

« Avec des collègues en Europe et aux États-Unis, nous construisons et testons l’instrument MIRI depuis près de 20 ans. C’est gratifiant de voir notre instrument dévoiler l’atmosphère de cette exoplanète intrigante », déclare le spécialiste des instruments, le Dr Bart Vandenbussche de la KU Leuven.

Cette étude combine les résultats de plusieurs analyses indépendantes des observations JWST et représente les années de travail investies non seulement dans la construction de l’instrument MIRI mais également dans les outils d’étalonnage et d’analyse des données d’observation acquises avec MIRI », déclare le Dr Jeroen Bouwman. du Max-Planck-Institut für Astronomie, Allemagne.

Financement : KU Leuven, Actions Marie Sklodowska-Curie

Plus d’information

• Ces observations ont été réalisées dans le cadre du programme d’observation du temps garanti 1280.
• 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.
• L’équipe du consortium européen est composée de 46 astronomes issus de 29 instituts de recherche répartis dans 12 pays. De la KU Leuven, l’équipe comprend Leen Decin, Thomas Konings, Bart Vandenbussche, Ioannis Argyriou et Linus Heinke.