Seul un point lumineux est visible sur les images du JWST/MIRI. Néanmoins, les premières analyses suggèrent la présence d'une planète gazeuse qui pourrait avoir des propriétés similaires à celles de Jupiter. Crédit : T. Müller (MPIA/HdA)
Les chercheurs utilisant le JWST ont capturé une nouvelle image d'Eps Ind Ab, un super-Jupiter avec une distance orbitale significativement plus grande que celle estimée précédemment.
Cette découverte, mettant en évidence un phénomène plus froid exoplanète que ce qui est généralement observé, incite à réévaluer sa masse et son orbite tout en offrant une nouvelle méthode pour étudier les géantes gazeuses froides lointaines grâce à l'imagerie directe et à l'analyse spectrale.
Imagerie d'une nouvelle exoplanète
« Nous étions ravis de réaliser que nous avions photographié cette nouvelle planète », a déclaré Elisabeth Matthews, chercheuse à l’Institut Max Planck d’astronomie de Heidelberg, en Allemagne. Elle est l’auteure principale de l’article de recherche sous-jacent publié aujourd’hui (24 juillet) dans la revue Nature. « À notre grande surprise, le point lumineux qui est apparu dans notre MIRI « Les images ne correspondaient pas à la position que nous attendions de la planète », souligne Matthews. « Des études antérieures avaient correctement identifié une planète dans ce système, mais avaient sous-estimé la masse et la séparation orbitale de cette géante gazeuse super-Jupiter. » Avec l'aide du JWST, l'équipe a pu rétablir la vérité.
Cette détection est assez inhabituelle à plusieurs égards. Elle montre la première exoplanète imagée par le JWST qui n'avait pas encore été photographiée depuis le sol et qui est beaucoup plus froide que les planètes gazeuses que le JWST a étudiées jusqu'à présent. Une « image » signifie que la planète apparaît comme un point brillant sur les images et représente donc une preuve directe. Les méthodes de transit et de vitesse radiale sont des preuves indirectes, car la planète ne se révèle que par son effet médiatisé.
Les encarts montrent des versions recadrées des images MIRI obtenues aux longueurs d'onde de l'infrarouge moyen 10,65 (à gauche) et 15,55 micromètres (à droite), qui représentent la zone autour de l'étoile Eps Ind A, dont la position est indiquée par des symboles d'étoile. Un coronographe bloque la lumière de l'étoile qui éclipserait les deux images. Au lieu de cela, un nouvel objet devient visible en haut à gauche. Cette source est l'exoplanète Eps Ind Ab. L'arrière-plan a été obtenu à partir de l'étude du ciel AllWISE. Crédit : T. Müller (MPIA/HdA), E. Matthews (MPIA)
Aperçu de l'orbite et des caractéristiques de l'Ab ind Eps
La planète tourne autour de l'étoile principale du système d'étoiles triples voisin Epsilon Indi, ou Eps Ind en abrégé. Les conventions d'étiquetage astronomique attribuent l'étiquette Eps Ind A à cette étoile primaire, une naine rouge un peu plus petite et plus froide que le Soleil. Pour construire le nom de la planète, un « b » est ajouté, ce qui donne la désignation Eps Ind Ab.
Les nouvelles données du JWST sont cohérentes avec l’hypothèse d’un super-Jupiter ayant une masse six fois supérieure à celle de Jupiter dans le système solaire. Eps Ind Ab orbite autour de son étoile hôte sur une orbite elliptique excentrique dont la plus grande distance par rapport à Eps Ind A devrait se situer entre 20 et 40 unités astronomiques. Une unité astronomique correspond à la distance moyenne entre la Terre et le Soleil, soit environ 150 millions de kilomètres. Les nouvelles valeurs diffèrent considérablement des études précédentes, c’est pourquoi l’équipe a choisi de qualifier cette planète de « nouvelle ».
Cette vidéo zoom commence par une vue grand angle du ciel centrée sur l'étoile Eps Ind A. Elle se termine par une image d'Eps Ind Ab obtenue avec l'imageur MIRI du JWST. Crédits : T. Müller (MPIA/HdA), E. Matthews (MPIA)
Des planètes cool, de la science brûlante
Seules quelques planètes géantes gazeuses froides en orbite autour d'étoiles de l'ère solaire sont connues à ce jour, et elles ont toutes été déduites indirectement à partir de mesures de vitesse radiale. En photographiant et en prenant des spectres des planètes, les astronomes peuvent étudier leur atmosphère et retracer l'évolution des systèmes planétaires par rapport aux modèles informatiques. L'étude des planètes dans des systèmes planétaires entièrement stabilisés permet de clarifier les derniers stades de l'évolution planétaire et d'affiner notre compréhension générale de la formation et de l'évolution des planètes.
Les observations récentes ouvrent la voie à la découverte de nombreuses autres planètes géantes gazeuses froides. Elles permettront aux astronomes d'étudier une nouvelle classe d'exoplanètes et de les comparer aux géantes gazeuses du système solaire.
Les défis de la détection des exoplanètes lointaines
Cependant, ces planètes sont difficiles à trouver à l’aide des méthodes de détection classiques. Les planètes éloignées de leur étoile hôte sont généralement très froides, contrairement aux Jupiters chauds qui gravitent autour de leur étoile à quelques rayons seulement. Il est très peu probable que les orbites larges soient alignées le long de la ligne de visée pour produire un signal de transit. De plus, la mesure de leurs signaux à l’aide de la méthode de la vitesse radiale est difficile lorsque seule une petite partie de l’orbite peut être surveillée.
Des études antérieures ont tenté d'étudier une planète géante en orbite autour d'Eps Ind A à l'aide de mesures de vitesse radiale. Cependant, l'extrapolation d'une petite partie de l'orbite a conduit à des conclusions erronées sur les propriétés de la planète. En effet, Eps Ind Ab a besoin d'environ 200 ans pour faire le tour de son étoile. Des observations sur quelques années ne suffisent pas à déterminer l'orbite avec une grande précision.
Utilisation d'une technologie avancée pour l'imagerie directe
L’équipe de Matthews a donc mis au point une approche différente. Ils voulaient prendre une photo de la planète connue en utilisant une méthode communément appelée imagerie directe. Les étoiles hôtes des exoplanètes étant si brillantes, elles éclipsent tout autre objet proche. Les appareils photo classiques seraient submergés par la lumière aveuglante des étoiles.
C'est pour cette raison que l'équipe a utilisé la caméra MIRI (Mid-Infrared Instrument) du JWST équipée d'un coronographe. Ce masque bloquant la lumière recouvre l'étoile comme une éclipse artificielle. Un autre avantage est la proximité d'Eps Ind avec la Terre, qui n'est que de 12 années-lumière. Plus la distance à l'étoile est faible, plus la séparation entre deux objets apparaît grande sur une image, ce qui offre une meilleure chance d'atténuer l'interférence de l'étoile hôte. MIRI était le choix parfait car il observe dans l'infrarouge thermique ou moyen, où les objets froids brillent intensément.
Que savons-nous de l’Eps Ind Ab ?
« Nous avons découvert un signal dans nos données qui ne correspondait pas à l’exoplanète attendue », explique Matthews. Le point lumineux sur l’image n’était pas à l’endroit prévu. « Mais la planète semblait toujours être une planète géante », ajoute Matthews. Cependant, avant de pouvoir faire une telle évaluation, les astronomes ont dû exclure que le signal provenait d’une source d’arrière-plan sans rapport avec Eps Ind A.
« Il est toujours difficile d'en être certain, mais d'après les données, il semblait assez peu probable que le signal provienne d'une source de fond extragalactique », explique Leindert Boogaard, un autre scientifique du MPIA et co-auteur de l'article de recherche. En effet, en parcourant les bases de données astronomiques à la recherche d'autres observations d'Eps Ind, l'équipe est tombée sur des données d'imagerie de 2019 obtenues avec la caméra infrarouge VISIR attachée à l'Observatoire européen austral (ESO) Très grand télescope (VLT). Après avoir réanalysé les images, l'équipe a trouvé un objet faible précisément à l'endroit où il aurait dû être si la source imagée par le JWST appartenait à l'étoile Eps Ind A.
Les scientifiques ont également tenté de comprendre l'atmosphère de l'exoplanète en se basant sur les images disponibles de la planète en trois couleurs : deux du JWST/MIRI et une du VLT/VISIR. Eps Ind Ab est plus faible que prévu aux courtes longueurs d'onde. Cela pourrait indiquer des quantités substantielles d'éléments lourds, en particulier du carbone, qui construit des molécules telles que le méthane, le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone, que l'on trouve couramment dans les planètes géantes gazeuses. Cela pourrait également indiquer que la planète a une atmosphère nuageuse. Cependant, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour parvenir à une conclusion définitive.
Orientations futures de la recherche
Ces travaux ne constituent qu'une première étape vers la caractérisation de l'Eps Ind Ab. « Notre prochain objectif est d'obtenir des spectres qui nous fournissent une empreinte détaillée de la climatologie et de la composition chimique de la planète », explique Thomas Henning, directeur émérite du MPIA, co-PI de l'instrument MIRI et co-auteur de l'article sous-jacent.
« À long terme, nous espérons également pouvoir observer d’autres systèmes planétaires proches pour traquer les géantes gazeuses froides qui auraient échappé à la détection », explique Matthews. « Une telle étude servirait de base à une meilleure compréhension de la formation et de l’évolution des planètes gazeuses. »
Les scientifiques du MPIA impliqués dans cette étude sont Elisabeth Matthews, Leindert Boogaard et Thomas Henning.
D'autres chercheurs incluent Aarynn Carter (Institut des sciences du télescope spatialBaltimore, États-Unis), Caroline Morley (Université du Texas à Austin, Austin, États-Unis) et Prashant Pathak (Indian Institutes of Technology, Kanpur, Inde).
Le consortium MIRI regroupe les États membres de l'ESA : la Belgique, le Danemark, la France, l'Allemagne, l'Irlande, les Pays-Bas, l'Espagne, la Suède, la Suisse et le Royaume-Uni. Les organisations scientifiques nationales financent les travaux du consortium : en Allemagne, la Société Max Planck (MPG) et le Centre aérospatial allemand (DLR). Les institutions allemandes participantes sont l'Institut Max Planck d'astronomie de Heidelberg, l'Université de Cologne et Hensoldt AG à Oberkochen, anciennement Carl Zeiss Optronics.
Le JWST est le premier observatoire scientifique spatial au monde. Il s'agit d'un programme international dirigé par NASA conjointement avec ses partenaires, l'ESA (Agence spatiale européenne) et l'ASC (Agence spatiale canadienne).
