Il s’agit d’une vue d’artiste de l’exoplanète GJ 9827d, la plus petite exoplanète où de la vapeur d’eau a été détectée dans l’atmosphère. La planète pourrait être un exemple de planètes potentielles dotées d’une atmosphère riche en eau ailleurs dans notre galaxie. Avec seulement environ deux fois le diamètre de la Terre, la planète orbite autour de l’étoile naine rouge GJ 9827. Deux planètes intérieures du système se trouvent sur la gauche. Les étoiles d’arrière-plan sont tracées telles qu’elles seraient vues à l’œil nu en regardant vers notre Soleil. Le Soleil est trop faible pour être vu. L’étoile bleue en haut à droite est Regulus ; l’étoile jaune en bas au centre est Denebola ; et l’étoile bleue en bas à droite est Spica. La constellation du Lion est à gauche et la Vierge à droite. Les deux constellations sont déformées par rapport à notre vision de la Terre à 97 années-lumière. Crédits : NASA, ESA, Leah Hustak (STScI), Ralf Crawford (STScI)
L’étude des « exoplanètes », le nom à consonance de science-fiction désignant toutes les planètes du cosmos au-delà de notre propre système solaire, est un domaine assez nouveau. Principalement, exoplanète des chercheurs comme ceux de l’ExoLab de l’Université du Kansas utilisent les données de télescopes spatiaux tels que le Le télescope spatial Hubble et le télescope spatial Webb. Chaque fois que les gros titres de l’actualité font état de planètes « semblables à la Terre » ou de planètes ayant le potentiel de soutenir l’humanité, ils parlent d’exoplanètes au sein de la nôtre. voie Lactée.
Jonathan Brande, doctorant à l’ExoLab de l’Université du Kansas, vient de publier ses résultats dans la revue scientifique en libre accès Le Lettres de journaux astrophysiques montrant de nouveaux détails atmosphériques dans un ensemble de 15 exoplanètes similaires à Neptune. Bien qu’aucun ne puisse soutenir l’humanité, une meilleure compréhension de leur comportement pourrait nous aider à comprendre pourquoi nous n’avons pas de petit Neptune, alors que la plupart des systèmes solaires semblent comporter une planète de cette classe.
« Au cours des dernières années à la KU, je me suis concentré sur l’étude des atmosphères des exoplanètes grâce à une technique connue sous le nom de spectroscopie de transmission », a déclaré Brande. « Lorsqu’une planète transite, c’est-à-dire qu’elle se déplace entre notre ligne de mire et l’étoile sur laquelle elle orbite, la lumière de l’étoile traverse l’atmosphère de la planète et est absorbée par les différents gaz présents. En capturant un spectre de l’étoile – en faisant passer la lumière à travers un instrument appelé spectrographe, comme si on la faisait passer à travers un prisme – nous observons un arc-en-ciel, mesurant la luminosité des différentes couleurs qui le composent. Des zones variées de luminosité ou d’obscurité dans le spectre révèlent les gaz absorbant la lumière dans l’atmosphère de la planète.
Comprendre les atmosphères des exoplanètes
Avec cette méthodologie, Brande a publié il y a plusieurs années un article concernant l’exoplanète « Neptune chaude » TOI-674 b, dans lequel il présentait des observations indiquant la présence de vapeur d’eau dans son atmosphère. Ces observations faisaient partie d’un programme plus large dirigé par le conseiller de Brande, Ian Crossfield, professeur agrégé de physique et d’astronomie à la KU, visant à observer les atmosphères des exoplanètes de la taille de Neptune.
« Nous voulons comprendre le comportement de ces planètes, étant donné que celles légèrement plus grandes que la Terre et plus petites que Neptune sont les plus courantes dans la galaxie », a déclaré Brande.
Ce récent article de l’ApJL résume les observations de ce programme, incorporant des données provenant d’observations supplémentaires pour expliquer pourquoi certaines planètes semblent nuageuses tandis que d’autres sont claires.
« L’objectif est d’explorer les explications physiques derrière les apparences distinctes de ces planètes », a déclaré Brande.
Brande et ses co-auteurs ont particulièrement noté les régions où les exoplanètes ont tendance à former des nuages ou des brumes en hauteur dans leur atmosphère. Lorsque de tels aérosols atmosphériques sont présents, le chercheur de la KU a déclaré que les brumes peuvent bloquer la lumière filtrant à travers l’atmosphère.
« Si une planète a un nuage juste au-dessus de la surface avec des centaines de kilomètres d’air clair au-dessus, la lumière des étoiles peut facilement traverser l’air clair et être absorbée uniquement par les gaz spécifiques présents dans cette partie de l’atmosphère », a déclaré Brande. « Cependant, si le nuage est positionné très haut, les nuages sont généralement opaques sur tout le spectre électromagnétique. Bien que les brumes aient des caractéristiques spectrales, pour notre travail, où nous nous concentrons sur une plage relativement étroite avec Hubble, elles produisent également des spectres principalement plats.
Selon Brande, lorsque ces aérosols sont présents en haute atmosphère, la lumière ne peut pas filtrer clairement.
« Avec Hubble, le gaz auquel nous sommes le plus sensibles est la vapeur d’eau », a-t-il déclaré. « Si nous observons de la vapeur d’eau dans l’atmosphère d’une planète, c’est une bonne indication qu’il n’y a pas de nuages suffisamment hauts pour bloquer son absorption. À l’inverse, si la vapeur d’eau n’est pas observée et que seul un spectre plat est observé, même si l’on sait que la planète devrait avoir une atmosphère étendue, cela suggère la présence probable de nuages ou de brumes à des altitudes plus élevées.
Brande a dirigé les travaux d’une équipe internationale d’astronomes sur l’article, comprenant Crossfield de la KU et des collaborateurs de l’Institut Max Planck de Heidelberg, en Allemagne, une cohorte dirigée par Laura Kreidberg et des chercheurs de l’Université du Texas à Austin, dirigés par Caroline. Morley.
Brande et ses co-auteurs ont abordé leur analyse différemment des efforts précédents en se concentrant sur la détermination des paramètres physiques des petites atmosphères de Neptune. En revanche, les analyses précédentes impliquaient souvent l’ajustement d’un seul spectre de modèle aux observations.
« En règle générale, les chercheurs prennent un modèle atmosphérique avec une teneur en eau pré-calculée, le mettent à l’échelle et le déplacent pour correspondre aux planètes observées dans leur échantillon », a déclaré Brande. « Cette approche indique si le spectre est clair ou nuageux mais ne fournit aucune information sur la quantité de vapeur d’eau ou sur l’emplacement des nuages dans l’atmosphère. »
Au lieu de cela, Brande a utilisé une technique connue sous le nom de « récupération atmosphérique ».
« Cela impliquait de modéliser l’atmosphère en fonction de divers paramètres planétaires tels que la quantité de vapeur d’eau et l’emplacement des nuages, en passant par des centaines et des milliers de simulations pour trouver la configuration la mieux adaptée », a-t-il déclaré. «Nos récupérations nous ont donné un spectre de modèles le mieux adapté à chaque planète, à partir duquel nous avons calculé à quel point la planète semblait nuageuse ou claire. Ensuite, nous avons comparé ces clartés mesurées à une suite distincte de modèles de Caroline Morley, qui nous ont permis de voir que nos résultats sont conformes aux attentes pour des planètes similaires. En examinant le comportement des nuages et de la brume, nos modèles ont indiqué que les nuages étaient mieux adaptés que les brumes. Le paramètre d’efficacité de sédimentation, reflétant la compacité des nuages, suggère que les planètes observées avaient des efficacités de sédimentation relativement faibles, ce qui donnait des nuages duveteux. Ces nuages, constitués de particules comme des gouttelettes d’eau, sont restés élevés dans l’atmosphère en raison de leur faible tendance à la sédimentation.
Les découvertes de Brande donnent un aperçu du comportement de ces atmosphères planétaires et ont suscité un « intérêt considérable » lorsqu’il les a présentées lors d’une récente réunion de l’American Astronomical Society.
Autres résultats
De plus, Brande fait partie d’un programme d’observation international, dirigé par Crossfield, qui vient d’annoncer la découverte de vapeur d’eau sur GJ 9827d — une planète aussi chaude que Vénus A 97 années-lumière de la Terre dans la constellation des Poissons.
Les observations, réalisées avec le télescope spatial Hubble, montrent que la planète n’est peut-être qu’un exemple des planètes riches en eau de la Voie lactée. Ils ont été annoncés par une équipe dirigée par Pierre-Alexis Roy de l’Institut Trottier de recherche sur les exoplanètes de l’Université de Montréal.
« Nous recherchions de la vapeur d’eau dans l’atmosphère des planètes de type sub-Neptune », a déclaré Brande. « L’article de Pierre-Alexis est le dernier de cet effort principal car il a fallu environ 10 ou 11 orbites ou transits de la planète pour effectuer la détection de la vapeur d’eau. Le spectre de Pierre-Alexis a été intégré dans notre article comme l’un de nos points de données de tendance, et nous avons inclus toutes les planètes de leur proposition et d’autres étudiées dans la littérature, renforçant ainsi nos résultats. Nous étions en communication étroite avec eux pendant le processus d’élaboration des deux articles pour nous assurer que nous utilisions les résultats correctement mis à jour et reflétions avec précision leurs conclusions.
