Les astronomes ont généré la première carte tridimensionnelle d'une planète en orbite autour d'une autre étoile, révélant une atmosphère avec des zones de température distinctes, si brûlantes qu'elles décomposent la vapeur d'eau, rapporte une équipe codirigée par un expert de Cornell dans une nouvelle recherche.
La carte de température de WASP-18b, une géante gazeuse connue sous le nom de « Jupiter ultra-chaud », située à 400 années-lumière de la Terre, est la première à appliquer une technique appelée cartographie d'éclipse 3D, ou cartographie spectroscopique d'éclipse.
Cet effort s'appuie sur un modèle 2D publié par les membres de la même équipe en 2023, qui a démontré le potentiel de la cartographie des éclipses pour exploiter les observations hautement sensibles du télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA.
Les chercheurs affirment que pour de nombreux types similaires d'exoplanètes observables par JWST, ils peuvent désormais commencer à cartographier les variations atmosphériques, tout comme, par exemple, les télescopes terrestres ont observé il y a longtemps la grande tache rouge de Jupiter et la structure des nuages en bandes.
« La cartographie des éclipses nous permet d'imager des exoplanètes que nous ne pouvons pas voir directement, car leurs étoiles hôtes sont trop brillantes », a déclaré Ryan Challener, associé postdoctoral au Département d'astronomie.
« Avec ce télescope et cette nouvelle technique, nous pouvons commencer à comprendre les exoplanètes de la même manière que nos voisines du système solaire. »
Challener est le premier auteur de « Structure thermique des exoplanètes horizontales et verticales à partir d'une carte d'éclipse spectroscopique JWST », publié dans Astronomie naturelle.
Plus de 30 co-auteurs incluent Megan Wiener Mansfield, professeur adjoint d'astronomie à l'Université du Maryland, qui a codirigé le projet, et Jake Turner, associé de recherche au Cornell Center for Astrophysics and Planetary Science.
La détection des exoplanètes est difficile : elles émettent généralement bien moins de 1 % de la luminosité d'une étoile hôte. La cartographie des éclipses nécessite de mesurer de petites fractions de ce total lorsqu'une planète tourne derrière son étoile, obscurcissant et révélant des parties de celle-ci en cours de route. Les scientifiques peuvent relier d’infimes changements de lumière à des régions spécifiques pour produire une carte de luminosité qui, lorsqu’elle est réalisée en plusieurs couleurs, peut être convertie en températures en trois dimensions : latitude, longitude et altitude.
« Vous recherchez des changements dans de minuscules parties de la planète au fur et à mesure qu'elles disparaissent et réapparaissent », a déclaré Challener, « c'est donc un défi extraordinaire. »
WASP-18b, qui a à peu près la masse de 10 Jupiters, orbite en seulement 23 heures et a des températures approchant les 5 000 degrés Fahrenheit, a fourni un signal relativement fort, ce qui en fait un bon test pour la nouvelle technique de cartographie.
Alors que la carte 2D précédente utilisait une seule longueur d'onde de lumière, ou couleur, la carte 3D ré-analysait les mêmes observations de l'instrument NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) de JWST à de nombreuses longueurs d'onde.
Challener a déclaré que chaque couleur correspondait à différentes températures et altitudes dans l'atmosphère gazeuse de WASP-18b qui pourraient être reconstituées pour créer la carte 3D.
« Si vous construisez une carte à une longueur d'onde que l'eau absorbe, vous verrez l'eau dans l'atmosphère, alors qu'une longueur d'onde que l'eau n'absorbe pas sondera plus profondément », a déclaré Challener. « Si vous les rassemblez, vous pouvez obtenir une carte 3D des températures dans cette atmosphère. »
La nouvelle vue a confirmé des régions spectroscopiquement distinctes – différant en température et éventuellement en composition chimique – du « côté jour » visible de WASP-18b, le côté toujours face à l'étoile en raison de son orbite verrouillée par les marées.
La planète présente un « point chaud » circulaire où la lumière des étoiles la plus directe atterrit et où les vents ne sont apparemment pas assez forts pour redistribuer la chaleur.
Autour du point chaud se trouve un « anneau » plus froid, plus proche des bords extérieurs visibles de la planète, ou membres. Challener a notamment déclaré que les mesures ont montré des niveaux de vapeur d'eau dans le point chaud inférieurs à la moyenne du WASP-18b.
« Nous pensons que cela prouve que la planète est si chaude dans cette région qu'elle commence à décomposer l'eau », a déclaré Challener. « Cela avait été prédit par la théorie, mais c'est vraiment excitant de voir cela avec des observations réelles. »
Challener a déclaré que des observations JWST supplémentaires pourraient aider à améliorer la résolution spatiale de la première carte d'éclipse 3D. Cette technique peut déjà aider à éclairer les cartes de température d’autres Jupiters chauds, qui constituent des centaines des plus de 6 000 exoplanètes confirmées à ce jour.
« Cette nouvelle technique sera applicable à de très nombreuses autres planètes que nous pourrons observer avec le télescope spatial James Webb », a déclaré Challener.
« Nous pouvons commencer à comprendre les exoplanètes en 3D en tant que population, ce qui est très excitant. »
