Le télescope James Webb dévoile les secrets de l’atmosphère d’une exoplanète duveteuse

Les observations avec MIRI de JWST détectent de la vapeur d’eau, du dioxyde de soufre et des nuages ​​de sable dans l’atmosphère de WASP-107b.

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

WASP-107b est une exoplanète gazeuse unique qui orbite autour d’une étoile légèrement plus froide et moins massive que notre Soleil. La masse de la planète est similaire à Neptune‘s, mais sa taille est beaucoup plus grande, approchant presque Jupiterla taille. Cette propriété rend WASP-107b plutôt « duveteuse » par rapport aux planètes géantes gazeuses du système solaire. Il 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.

L’instrument infrarouge moyen de Webb révèle la chimie

L’équipe d’astronomes européens a pleinement profité du caractère remarquablement moelleux de cette exoplanète en l’observant avec l’instrument infrarouge moyen (MIRI) à bord du télescope spatial James Webb (JWST). Cette opportunité a ouvert une fenêtre pour examiner en profondeur son atmosphère, dévoilant sa composition chimique complexe. La raison en est relativement simple : les signaux, ou caractéristiques spectrales, sont bien plus visibles dans une atmosphère moins dense que dans une atmosphère plus compacte. Leur étude récente, récemment publiée dans la revue 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 transport 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. Des calculs antérieurs avaient prédit son absence, mais de nouveaux modèles climatiques de l’atmosphère de WASP-107b montrent désormais que sa nature duveteuse s’adapte à la formation de dioxyde de soufre. Même si son étoile hôte, plutôt froide, émet une fraction relativement faible de photons de haute énergie, ceux-ci peuvent pénétrer profondément dans l’atmosphère de la planète. Cette circonstance permet les réactions chimiques nécessaires pour produire du dioxyde de soufre.

Le spectre de transmission de l’exoplanète chaude Neptune WASP-107b, capturé par le spectromètre à 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 l’atmosphère de la planète. Les astronomes commencent par mesurer la lumière de l’étoile lorsque l’exoplanète n’est pas en transit. C’est la lumière des étoiles de base. Lorsque l’exoplanète passe devant son étoile hôte, elle bloque partiellement la lumière des étoiles. Au même moment, une partie de la lumière des étoiles traverse l’atmosphère de l’exoplanète. MIRI enregistre la lumière totale (lumière des étoiles plus lumière des étoiles qui traverse l’atmosphère de l’exoplanète) pendant le transit. Pour chaque longueur d’onde, les scientifiques calculent la quantité de lumière stellaire bloquée par la planète et son atmosphère (cercles blancs) en soustrayant la lumière stellaire de base de la lumière totale mesurée pendant le transit. Le spectre couvre des longueurs d’onde comprises entre 4,61 et 11,83 microns. Les données sont complétées par les données de Hubble, allant de 1,1 à 1,7 microns. La ligne orange continue est le modèle le mieux adapté aux données JWST et Hubble. Les régions colorées ombrées indiquent la contribution de la vapeur d’eau (en rouge), du dioxyde de soufre (en bleu) et des nuages ​​de sable (en jaune) au modèle le mieux adapté.
Crédit : Michiel Min / Equipe européenne MIRI EXO GTO / ESA / NASA

Le rapport météo de WASP-107b prédit des nuages ​​de sable

Mais ce n’est pas tout ce qu’ils ont trouvé. 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. Alors que des nuages ​​​​constitués de différentes substances ont été déduits sur d’autres exoplanètes par des moyens indirects, c’est la première fois que les astronomes peuvent identifier de manière définitive leur composition chimique. Dans ce cas, les nuages ​​sont constitués de petites particules de silicate, une substance familière trouvée dans de nombreuses régions du monde comme constituant principal du sable.

« JWST révolutionne la caractérisation des exoplanètes, en fournissant des informations sans précédent à une vitesse remarquable », déclare l’auteur principal 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.

Le co-auteur Paul Mollière de l’Institut d’astronomie Max Planck (MPIA) à Heidelberg, en Allemagne, est d’accord : « La valeur du JWST ne peut être surestimée : partout où nous regardons avec ce télescope, nous voyons toujours quelque chose de nouveau et d’inattendu. Ce dernier résultat ne fait pas exception.

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

Un cycle atmosphérique exotique de gouttelettes de silicate

Contrairement à l’atmosphère terrestre, où l’eau gèle à basse température, les particules de silicate peuvent geler pour former des nuages ​​sur les planètes gazeuses qui atteignent des températures autour de 1 000 degrés. Celsius. Cependant, dans le cas de WASP-107b, où la température de l’atmosphère extérieure atteint environ 500 degrés Celsius, les modèles traditionnels prévoyaient 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 de haute altitude pleuvent jusqu’aux couches inférieures. Comment est-il alors possible que ces nuages ​​de sable existent à haute altitude et continuent à perdurer ?

« Le fait que nous voyons ces nuages ​​de sable en hauteur dans l’atmosphère signifie que les gouttelettes de pluie de sable s’évaporent en couches plus profondes et très chaudes. La vapeur de silicate qui en résulte est efficacement soulevée », explique l’auteur principal Michiel Min du SRON (Institut néerlandais de recherche spatiale). « Ici, ils se recondensent pour former à nouveau des nuages ​​​​de silicate. Ceci est similaire au cycle de la vapeur d’eau et des nuages ​​sur Terre, mais avec des gouttelettes de sable. Ce cycle continu de sublimation et de condensation par transport vertical est responsable de la présence soutenue de nuages ​​de sable dans l’atmosphère de WASP-107b.

Cette recherche pionnière met en lumière le monde exotique de WASP-107b et repousse 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.

Conception de l’artiste du télescope spatial James Webb. Crédit : NASA-GSFC, Adriana M. Gutierrez (CI Lab)

JWST et MIRI sont des outils puissants pour explorer les atmosphères des exoplanètes

« MPIA est fière d’avoir fourni des éléments clés à MIRI », déclare Thomas Henning, co-PI de MIRI et directeur de MPIA. « Parmi eux se trouvent les roues à filtres du photomètre et du spectromètre de MIRI, ainsi que les mécanismes qui positionnent les éléments de sélection de longueur d’onde qui ont produit les spectres contenant les signatures chimiques. » Les membres du personnel de la MPIA ont également soutenu les tests au sol et en vol de MIRI.

« 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 Bart Vandenbussche, spécialiste des instruments et co-PI de MIRI, de la KU Leuven.

Jeroen Bouwman, scientifique MPIA et co-responsable du programme d’observation, ajoute : « 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. pour les données d’observation acquises avec MIRI.

Pour en savoir plus sur cette découverte, voir Webb détecte de la vapeur d’eau, du dioxyde de soufre et des nuages ​​de sable dans une exoplanète à proximité.

Informations d’arrière-plan

Ces observations ont été obtenues dans le cadre du programme d’observation du temps garanti 1280.

JWST est le premier observatoire mondial des sciences spatiales. Il s’agit de résoudre les mystères de notre système solaire, de regarder au-delà des mondes lointains autour d’autres étoiles et de sonder les structures et origines mystérieuses de notre univers ainsi que la place que nous y occupons. Webb est un programme international dirigé par NASA avec ses partenaires, l’ESA (Agence spatiale européenne) et CSA (Agence spatiale canadienne).

L’instrument MIRI (Mid-InfraRed Instrument) de JWST, construit par un consortium européen d’instituts de recherche, est un instrument scientifique polyvalent pour les longueurs d’onde infrarouges comprises entre 5 et 28 microns. Il combine une caméra d’imagerie et un spectrographe. Avec le soutien de partenaires industriels, MPIA a fourni les mécanismes de tous les éléments de contrôle de la gamme de longueurs d’onde, tels que les roues de filtres et de réseaux, et a dirigé la conception électrique de MIRI.

Le consortium européen comprend 46 astronomes issus de 29 instituts de recherche répartis dans 12 pays. L’équipe MPIA comprend Jeroen Bouwman, Paul Mollière, Thomas Henning, Oliver Krause et Silvia Scheithauer.