La géante gazeuse chaude WASP-107 b, connue pour sa densité inhabituellement faible et sa température modérée, pourrait avoir son atmosphère gonflée en raison du réchauffement des marées qui réchauffe son intérieur plus qu'on ne le pensait auparavant. (Concept de l'artiste.) Crédit : Issues.fr.com
Une surprenante carence en méthane suggère que le réchauffement des marées a gonflé l'atmosphère de la géante gazeuse chaude WASP-107 b.
Pourquoi la géante gazeuse chaude exoplanète WASP-107 b alors, tellement gonflé ? Avec une température modérée et une densité ultra-faible comparable à celle d’une guimauve cuite au micro-ondes, elle semble défier les théories standards sur la formation et l’évolution des planètes.
Deux équipes indépendantes de chercheurs pensent avoir compris. Les données de Webb, combinées aux observations antérieures de Hubble, montrent que l'intérieur de WASP-107 b doit être beaucoup plus grillé que prévu. La température étonnamment élevée, qui serait causée par les forces de marée qui étirent la planète comme du mastic idiot, peut expliquer comment des planètes comme WASP-107 b peuvent être si molles, résolvant peut-être un mystère de longue date dans la science des exoplanètes.
Le concept de cet artiste montre à quoi pourrait ressembler l'exoplanète WASP-107 b sur la base des données récentes recueillies par le télescope spatial James Webb de la NASA, ainsi que des observations précédentes de Hubble et d'autres télescopes spatiaux et terrestres. WASP-107 b est une exoplanète « Neptune chaude » en orbite autour d’une étoile relativement petite et froide à environ 210 années-lumière de la Terre, dans la constellation de la Vierge. La planète fait environ 80 % de la taille de Jupiter en termes de volume, mais sa masse est inférieure à 10 % de celle de Jupiter, ce qui en fait l'une des exoplanètes les moins denses connues. Crédit : NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
Le télescope spatial Webb résout le cas d'une exoplanète gonflée
Pourquoi l’exoplanète géante gazeuse chaude WASP-107 b est-elle si gonflée ? Deux équipes de recherche indépendantes ont désormais la réponse.
Les données recueillies à l'aide du télescope spatial James Webb de la NASA, combinées aux observations antérieures du télescope spatial Hubble de la NASA, montrent étonnamment peu de méthane (CH4) dans l'atmosphère de la planète. Cela indique que l’intérieur de WASP-107 b doit être nettement plus chaud et le noyau beaucoup plus massif qu’on ne l’avait estimé précédemment.
On pense que la température étonnamment élevée est le résultat du réchauffement des marées provoqué par l'orbite légèrement non circulaire de la planète, et peut expliquer comment WASP-107 b peut être ainsi gonflé sans recourir à des théories extrêmes sur la façon dont il s'est formé.
Les résultats, rendus possibles par l'extraordinaire sensibilité de Webb et sa capacité à mesurer la lumière traversant les atmosphères des exoplanètes, pourraient expliquer le gonflement de dizaines d'exoplanètes de faible densité, aidant ainsi à résoudre un mystère de longue date dans la science des exoplanètes.
Le problème avec WASP-107b
À plus des trois quarts du volume de Jupiter mais moins d'un dixième de la masse, le « chaud Neptune« L'exoplanète WASP-107 b est l'une des planètes les moins denses connues. Bien que les planètes gonflées ne soient pas rares, la plupart sont plus chaudes et plus massives, et donc plus faciles à expliquer.
« Sur la base de son rayon, de sa masse, de son âge et de sa température interne supposée, nous pensions que WASP-107 b avait un très petit noyau rocheux entouré d'une énorme masse d'hydrogène et d'hélium », a expliqué Luis Welbanks de l'Arizona State University (ASU). auteur principal d'un article publié le 20 mai dans la revue Nature. « Mais il était difficile de comprendre comment un si petit noyau pouvait absorber autant de gaz, puis ne pas se développer complètement pour devenir une planète de masse Jupiter. »
Ce spectre de transmission, capturé à l'aide des télescopes spatiaux Hubble et James Webb de la NASA, montre les quantités de différentes longueurs d'onde (couleurs) de lumière stellaire bloquées par l'atmosphère de l'exoplanète géante gazeuse WASP-107 b.
Le spectre comprend la lumière collectée au cours de cinq observations distinctes à l'aide d'un total de trois instruments différents : le WFC3 de Hubble (0,8 à 1,6 microns), le NIRCam de Webb (2,4 à 4,0 microns et 3,9 à 5,0 microns) et le MIRI de Webb (5 à 12 microns). Chaque série de mesures a été réalisée en observant le système planète-étoile pendant environ 10 heures avant, pendant et après le transit alors que la planète se déplaçait devant la face de l'étoile.
En comparant la luminosité de la lumière filtrée à travers l'atmosphère de la planète (lumière transmise) à la lumière des étoiles non filtrée, il est possible de calculer la quantité de chaque longueur d'onde bloquée par l'atmosphère. Puisque chaque molécule absorbe une combinaison unique de longueurs d’onde, le spectre de transmission peut être utilisé pour limiter l’abondance de divers gaz.
Ce spectre montre clairement la présence d'eau (H2O), de dioxyde de carbone (CO2), de monoxyde de carbone (CO), de méthane (CH4), de dioxyde de soufre (SO2) et d'ammoniac (NH3) dans l'atmosphère de la planète, permettant aux chercheurs d'estimer l'intérieur température et masse du noyau.
Cette couverture de longueur d'onde, de l'optique à l'infrarouge moyen, est à ce jour la plus large du spectre de transmission d'une exoplanète et comprend la première détection d'ammoniac signalée par un télescope spatial dans une atmosphère d'exoplanète.
Crédit : NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), Luis Welbanks (ASU), équipe JWST MANATEE
Si WASP-107 b avait plutôt une plus grande partie de sa masse dans le noyau, l'atmosphère aurait dû se contracter à mesure que la planète s'est refroidie au fil du temps depuis sa formation. Sans source de chaleur pour dilater à nouveau le gaz, la planète devrait être beaucoup plus petite. Bien que WASP-107 b ait une distance orbitale de seulement 5 millions de miles (un septième de la distance entre Mercure et le Soleil), il ne reçoit pas suffisamment d'énergie de son étoile pour être ainsi gonflé.
« WASP-107 b est une cible très intéressante pour Webb car sa masse est nettement plus froide et plus proche de celle de Neptune que la plupart des autres planètes de faible densité, les Jupiters chauds, que nous avons étudiés », a déclaré David Sing du Johns. Hopkins University (JHU), auteur principal d'une étude parallèle également publiée aujourd'hui dans Nature. « En conséquence, nous devrions être capables de détecter le méthane et d'autres molécules susceptibles de nous fournir des informations sur sa chimie et sa dynamique interne que nous ne pouvons pas obtenir d'une planète plus chaude. »
Une richesse de molécules auparavant indétectables
Le rayon géant de WASP-107 b, son atmosphère étendue et son orbite périphérique le rendent idéal pour la spectroscopie par transmission, une méthode utilisée pour identifier les différents gaz dans l'atmosphère d'une exoplanète en fonction de la façon dont ils affectent la lumière des étoiles.
En combinant les observations de la NIRCam (caméra proche infrarouge) de Webb, du MIRI (instrument infrarouge moyen) de Webb et du WFC3 (caméra grand champ 3) de Hubble, l'équipe de Welbanks a pu construire un large spectre de lumière absorbée de 0,8 à 12,2 microns. par l'atmosphère de WASP-107 b. À l’aide du NIRSpec (spectrographe proche infrarouge) de Webb, l’équipe de Sing a construit un spectre indépendant couvrant 2,7 à 5,2 microns.
La précision des données permet non seulement de détecter, mais de mesurer réellement l'abondance d'une multitude de molécules, dont la vapeur d'eau (H2O), méthane (CH4), dioxyde de carbone (CO2), monoxyde de carbone (CO), dioxyde de soufre (SO2), et l'ammoniac (NH3).
Ce spectre de transmission, capturé à l'aide du NIRSpec (spectrographe proche infrarouge) de Webb, montre les quantités de différentes longueurs d'onde (couleurs) de lumière stellaire proche infrarouge bloquées par l'atmosphère de l'exoplanète géante gazeuse WASP-107 b.
Le spectre a été réalisé en observant le système planète-étoile pendant environ 8,5 heures avant, pendant et après le transit alors que la planète se déplaçait devant l'étoile.
En comparant la luminosité de la lumière filtrée à travers l'atmosphère de la planète (lumière transmise) à la lumière des étoiles non filtrée, il est possible de calculer la quantité de chaque longueur d'onde bloquée par l'atmosphère. Puisque chaque molécule absorbe une combinaison unique de longueurs d’onde, le spectre de transmission peut être utilisé pour limiter l’abondance de divers gaz.
Ce spectre montre clairement la présence d'eau (H2O), de dioxyde de carbone (CO2), de monoxyde de carbone (CO), de méthane (CH4) et de dioxyde de soufre (SO2) dans l'atmosphère de la planète, permettant aux chercheurs d'estimer la température intérieure et la masse de la planète. cœur.
Crédit : NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), David Sing (JHU), équipe NIRSpec GTO Transiting Exoplanet
Gaz bouillonnant, intérieur chaud et noyau massif
Les deux spectres montrent un manque surprenant de méthane dans l'atmosphère de WASP-107 b : un millième de la quantité attendue sur la base de sa température supposée.
« C'est la preuve que les gaz chauds provenant des profondeurs de la planète doivent se mélanger vigoureusement aux couches plus froides situées plus haut », a expliqué Sing. « Le méthane est instable à haute température. Le fait que nous en ayons détecté si peu, même si nous avons détecté d’autres molécules carbonées, nous indique que l’intérieur de la planète doit être beaucoup plus chaud que nous le pensions.
Une source probable d'énergie interne supplémentaire de WASP-107 b est le réchauffement des marées provoqué par son orbite légèrement elliptique. La distance entre l’étoile et la planète changeant continuellement au cours de l’orbite de 5,7 jours, l’attraction gravitationnelle change également, étirant la planète et la réchauffant.
Les chercheurs avaient précédemment proposé que le réchauffement des marées pourrait être la cause des gonflements du WASP-107 b, mais jusqu'à ce que les résultats de Webb soient disponibles, il n'y avait aucune preuve.
Une fois qu’elles ont établi que la planète dispose de suffisamment de chaleur interne pour bouleverser complètement l’atmosphère, les équipes ont réalisé que les spectres pourraient également fournir une nouvelle façon d’estimer la taille du noyau.
« Si nous connaissons la quantité d’énergie présente sur la planète et quelle proportion de la planète est constituée d’éléments plus lourds comme le carbone, l’azote, l’oxygène et le soufre, par rapport à la quantité d’hydrogène et d’hélium, nous pouvons calculer la masse que doit contenir la planète. le noyau », a expliqué Daniel Thorngren de JHU.
Il s’avère que le noyau est au moins deux fois plus massif que prévu initialement, ce qui est plus logique en termes de formation des planètes.
Dans l’ensemble, WASP-107 b n’est pas aussi mystérieux qu’il le paraissait autrefois.
« Les données Webb nous indiquent que des planètes comme WASP-107 b n'ont pas dû se former d'une manière étrange avec un noyau très petit et une énorme enveloppe gazeuse », a expliqué Mike Line de l'ASU. « Au lieu de cela, nous pouvons prendre quelque chose de plus comme Neptune, avec beaucoup de roche et pas autant de gaz, il suffit d'augmenter la température et de la faire monter pour avoir l'apparence qu'elle a. »
Le Télescope spatial James Webb est le premier observatoire des sciences spatiales au monde. Webb résout les mystères de notre système solaire, regarde au-delà des mondes lointains autour d'autres étoiles et sonde les structures et origines mystérieuses de notre univers et 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).
