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Jour et nuit éternels : le voyage de Webb pour comprendre l'atmosphère étrange d'un monde lointain

SciTechDaily

Des chercheurs utilisant le télescope spatial James Webb ont découvert des différences atmosphériques sur l'exoplanète WASP-39 b, révélant des variations de température et une couverture nuageuse distincte sur ses hémisphères verrouillés par les marées. La planète, de taille similaire à Jupiter mais plus proche de Saturne en masse, présente une face du soir plus chaude que sa face du matin, attribuée à de puissantes circulations atmosphériques. Crédit : NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

L'analyse spectrale proche infrarouge du terminateur confirme les différences dans l'atmosphère du matin et du soir.

Depuis le premier exoplanète Découverte en 1992, des milliers de planètes en orbite autour d'étoiles extérieures à notre système solaire ont été confirmées par une multitude de méthodes différentes, notamment l'imagerie directe, la microlentille gravitationnelle, la mesure des transits et l'astrométrie. Au fil des ans, les techniques d'étude de ces exoplanètes ont évolué, les astronomes apprenant des détails sur la composition atmosphérique de ces mondes lointains.

NASA's Télescope spatial James Webb continue de faire progresser ce domaine d’étude et d’approfondir notre compréhension de la diversité des exoplanètes et de leurs atmosphères.

Dernière découverte en date : Webb a permis aux astronomes d'analyser les différences atmosphériques entre le matin et le soir sur une exoplanète verrouillée par les marées — une prouesse incroyable pour un monde lointain, situé à 700 années-lumière de la Terre, comme WASP-39 b.

Exoplanète géante gazeuse chaude WASP-39 b

Ce concept d'artiste montre à quoi pourrait ressembler l'exoplanète WASP-39 b, d'après les observations indirectes de transit effectuées par le télescope spatial James Webb de la NASA ainsi que par d'autres télescopes spatiaux et terrestres. Crédits : NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Le télescope spatial Webb étudie les levers et couchers de soleil éternels sur un monde lointain

Des chercheurs utilisant le télescope spatial James Webb de la NASA ont finalement confirmé ce que les modèles avaient prédit jusqu'à présent : une exoplanète présente des différences entre son atmosphère éternelle du matin et celle du soir. WASP-39 b, une planète géante dont le diamètre est 1,3 fois plus grand que Jupitermais masse similaire à Saturne La planète tourne autour d'une étoile située à environ 700 années-lumière de la Terre et est synchronisée avec son étoile mère. Cela signifie qu'elle a un côté jour et un côté nuit constants : un côté de la planète est toujours exposé à son étoile, tandis que l'autre est toujours plongé dans l'obscurité.

En utilisant le spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) de Webb, les astronomes ont confirmé une différence de température entre le matin éternel et le soir éternel sur WASP-39 b, le soir apparaissant plus chaud d'environ 300 °C. Fahrenheit degrés (environ 200 Celsius degrés). Ils ont également trouvé des preuves d'une couverture nuageuse différente, la partie matinale de la planète étant probablement plus nuageuse que celle du soir.

Cette animation décrit comment Webb utilise la spectroscopie de transmission pour étudier les atmosphères d'exoplanètes lointaines. Crédits : NASA, ESA, CSA, Leah Hustak

Progrès dans les études atmosphériques des exoplanètes

Les astronomes ont analysé le spectre de transmission de 2 à 5 microns de WASP-39 b, une technique qui permet d'étudier le terminateur de l'exoplanète, la frontière qui sépare le côté jour et le côté nuit de la planète. Un spectre de transmission est établi en comparant la lumière stellaire filtrée par l'atmosphère d'une planète alors qu'elle se déplace devant l'étoile, à la lumière stellaire non filtrée détectée lorsque la planète est à côté de l'étoile. En faisant cette comparaison, les chercheurs peuvent obtenir des informations sur la température, la composition et d'autres propriétés de l'atmosphère de la planète.

« WASP-39 b est devenue une sorte de planète de référence dans l'étude de l'atmosphère des exoplanètes avec Webb », a déclaré Néstor Espinoza, chercheur en exoplanètes à l'Université de Californie à Berkeley. Institut des sciences du télescope spatial et auteur principal de l'étude. « Son atmosphère est gonflée et boursouflée, ce qui fait que le signal provenant de la lumière des étoiles filtrée à travers l'atmosphère de la planète est assez fort. »

Courbe de lumière de transit de l'exoplanète géante gazeuse chaude WASP-39 b (Webb NIRSpec)

Une courbe de lumière du spectrographe NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) du télescope spatial James Webb de la NASA montre l'évolution de la luminosité du système stellaire WASP-39 au fil du temps, alors que la planète transitait par l'étoile. Cette observation a été réalisée à l'aide du mode de série temporelle d'objets brillants du NIRSpec, qui utilise un réseau pour diffuser la lumière d'un seul objet brillant (comme l'étoile hôte de WASP-39 b) et mesurer la luminosité de chaque longueur d'onde de lumière à des intervalles de temps définis. Crédit : NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Informations sur la température et la composition atmosphérique

Les spectres Webb précédemment publiés de l'atmosphère de WASP-39b, qui ont révélé la présence de dioxyde de carbone, de dioxyde de soufre, de vapeur d'eau et de sodium, représentent l'intégralité de la limite jour/nuit – aucune tentative détaillée n'a été faite pour différencier un côté de l'autre.

La nouvelle analyse construit désormais deux spectres différents à partir de la région du terminateur, divisant essentiellement la frontière jour/nuit en deux demi-cercles, l'un pour le soir et l'autre pour le matin. Les données révèlent que la soirée est nettement plus chaude, avec une température brûlante de 800 degrés Celsius, et le matin, relativement plus frais, avec 600 degrés Celsius.

Spectre de transmission de l'exoplanète géante gazeuse chaude WASP-39 b (Webb NIRSpec)

Ce spectre de transmission, capturé à l'aide du mode de série temporelle d'objets brillants PRISM (NIRSpec, spectrographe proche infrarouge) de Webb, montre les quantités de lumière stellaire proche infrarouge bloquées par l'atmosphère de l'exoplanète géante gazeuse chaude WASP-39 b. Le spectre montre clairement la présence d'eau et de dioxyde de carbone, ainsi qu'une variation de température entre le matin et le soir sur l'exoplanète.
Une nouvelle analyse du spectre de transmission de WASP-39 b construit deux spectres différents à partir de la limite stationnaire jour/nuit sur l'exoplanète, divisant essentiellement cette région terminatrice en deux demi-cercles, l'un du soir et l'autre du matin. Les données révèlent que le soir est nettement plus chaud, avec une température brûlante de 800 degrés Celsius, et le matin, relativement plus frais, avec 600 degrés Celsius.
Les lignes bleues et jaunes représentent un modèle optimal qui prend en compte les données, les propriétés connues de WASP-39 b et de son étoile (par exemple, la taille, la masse, la température) et les caractéristiques supposées de l'atmosphère.
Crédits : NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Conséquences des variations de température

« C’est vraiment étonnant que nous soyons capables d’analyser cette petite différence, et cela n’est possible que grâce à la sensibilité de Webb dans les longueurs d’onde proches de l’infrarouge et à ses capteurs photométriques extrêmement stables », a déclaré Espinoza. « Le moindre mouvement de l’instrument ou de l’observatoire pendant la collecte des données aurait considérablement limité notre capacité à effectuer cette détection. Il doit être extraordinairement précis, et Webb l’est exactement. »

La modélisation approfondie des données obtenues permet également aux chercheurs d'étudier la structure de l'atmosphère de WASP-39 b, la couverture nuageuse et les raisons pour lesquelles la soirée est plus chaude. Alors que les travaux futurs de l'équipe étudieront comment la couverture nuageuse peut affecter la température, et vice versa, les astronomes ont confirmé que la circulation de gaz autour de la planète était le principal responsable de la différence de température sur WASP-39 b.

Comprendre les schémas de vent planétaires et la dynamique de température

Sur une exoplanète fortement irradiée comme WASP-39 b qui orbite relativement près de son étoile, les chercheurs s'attendent généralement à ce que le gaz se déplace au rythme de la rotation de la planète autour de son étoile : le gaz plus chaud du côté jour devrait se déplacer le soir vers le côté nuit via un puissant courant-jet équatorial. La différence de température étant si extrême, la différence de pression atmosphérique serait également importante, ce qui entraînerait à son tour des vents violents.

En utilisant des modèles de circulation générale, des modèles tridimensionnels similaires à ceux utilisés pour prédire les conditions météorologiques sur Terre, les chercheurs ont découvert que sur WASP-39 b, les vents dominants se déplacent probablement du côté nuit à travers le terminateur du matin, autour du côté jour, à travers le terminateur du soir, puis autour du côté nuit. En conséquence, le côté matin du terminateur est plus frais que le côté soir. En d'autres termes, le côté matin est frappé par des vents d'air qui ont été refroidis du côté nuit, tandis que le soir est frappé par des vents d'air chauffé du côté jour. Les recherches suggèrent que la vitesse du vent sur WASP-39 b peut atteindre des milliers de kilomètres à l'heure !

Orientations futures de la recherche et premières contributions scientifiques de Webb

« Cette analyse est également particulièrement intéressante car elle permet d'obtenir des informations en 3D sur la planète que nous n'avions pas auparavant », a ajouté Espinoza. « Comme nous pouvons dire que le bord du soir est plus chaud, cela signifie qu'il est un peu plus gonflé. Donc, théoriquement, il y a une petite houle au niveau du terminateur qui s'approche du côté nocturne de la planète. »

Les résultats de l'équipe ont été publiés dans la revue Nature.

Les chercheurs vont maintenant chercher à utiliser la même méthode d'analyse pour étudier les différences atmosphériques d'autres Jupiters chauds verrouillés par les marées, dans le cadre du programme Webb Cycle 2 General Observers 3969.

WASP-39 b a été l'une des premières cibles analysées par Webb alors qu'il entamait ses opérations scientifiques régulières en 2022. Les données de cette étude ont été collectées dans le cadre du programme Early Release Science 1366, conçu pour aider les scientifiques à apprendre rapidement à utiliser les instruments du télescope et à exploiter tout son potentiel scientifique.

Le télescope spatial James Webb (JWST) est un grand observatoire spatial lancé le 25 décembre 2021. Il s'agit d'un projet collaboratif impliquant la NASA, l' Agence spatiale européenne (ESA) et l'Agence spatiale canadienne (ASC). En tant que successeur scientifique de l' Le télescope spatial HubbleLe JWST est conçu pour offrir des résolutions et des sensibilités sans précédent dans la gamme infrarouge du spectre électromagnétique. Cette capacité permet aux astronomes d'étudier chaque phase de l'histoire cosmique, depuis les premières lueurs après la Big Bangde la formation de systèmes solaires capables de soutenir la vie sur des planètes comme la Terre, à l'évolution de notre propre système solaire. Situé au deuxième point de Lagrange (L2), le JWST explorera un large éventail de questions scientifiques, contribuant à découvrir de nouvelles perspectives sur la structure et les origines de l'univers.

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