Des recherches récentes ont mis en évidence la présence d'une atmosphère sur 55 Cancri e, une exoplanète rocheuse située à seulement 41 années-lumière. Malgré sa proximité avec son étoile semblable au soleil, qui provoque une chaleur extrême et une surface en fusion, la planète possède probablement une atmosphère secondaire formée par des processus volcaniques. (Concept de l'artiste.) Crédit : Issues.fr.com
Gaz bouillonnant d'une surface recouverte de lave sur le exoplanète 55 Cancri e peut alimenter une atmosphère riche en dioxyde de carbone ou en monoxyde de carbone.
Située à seulement 41 années-lumière de la Terre, l’exoplanète 55 Cancri e est si intensément chaude que les scientifiques doutaient autrefois de sa capacité à maintenir une atmosphère. Cependant, une étude récente menée par une équipe nationale de scientifiques suggère que 55 Cancri e pourrait être la première exoplanète rocheuse confirmée comme possédant une atmosphère.
Publié dans Naturel'article intitulé « Une atmosphère secondaire sur l'exoplanète rocheuse 55 Cnc e » a été rédigé par des chercheurs de NASAdu Jet Propulsion Laboratory, du California Institute of Technology, du Université de Chicagol'Université du Nouveau-Mexique (UNM).
Caractéristiques orbitales uniques
L'exoplanète 55 Cancri e orbite autour d'une étoile semblable au soleil de la Terre, mais contrairement à la Terre, elle orbite autour de son étoile à une distance exceptionnellement proche, ce qui rend la planète en fusion chaude et inhabitable. Alors qu'il faut environ 365 jours à la Terre pour orbiter autour du soleil, l'exoplanète termine son orbite complète en moins d'un jour terrestre, selon la NASA. Il est si proche de son étoile que la gravité ne lui permet pas de tourner. Ainsi, depuis des milliards d'années, un côté a connu le jour et l'autre la nuit. L’environnement extrême de cette planète devrait signifier qu’elle serait incapable de maintenir l’atmosphère primordiale avec laquelle elle est née lors de sa formation. Dans cette étude, les scientifiques émettent l’hypothèse qu’au lieu de cela, les mers de magma se reconstituent et maintiennent continuellement une atmosphère secondaire. Cette atmosphère secondaire s'est probablement formée plus tard dans l'existence de la planète, en l'occurrence générée par l'intense activité volcanique déclenchée par la proximité de l'étoile.
Le concept de cet artiste montre à quoi pourrait ressembler l'exoplanète 55 Cancri e. Également appelée Janssen, 55 Cancri e est ce qu'on appelle une super-Terre, une planète rocheuse nettement plus grande que la Terre mais plus petite que Neptune, qui orbite autour de son étoile à une distance de seulement 1,4 million de miles (0,015 unités astronomiques), effectuant une orbite complète. en moins de 18 heures. (Mercure est 25 fois plus éloignée du Soleil que 55 Cancri e de son étoile.) Le système, qui comprend également quatre grandes planètes géantes gazeuses, est situé à environ 41 années-lumière de la Terre, dans la constellation du Cancer. Crédit : NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
Recherche et technologie révolutionnaires
Diana Dragomir, professeure adjointe de physique et d'astronomie à l'UNM, a participé à l'étude récente, même si elle connaissait déjà bien l'exoplanète après avoir contribué à la découverte de ses transits dans sa thèse de doctorat. La densité et la chaleur de l'exoplanète 55 Cancri e soulèvent depuis longtemps des questions complexes pour elle et pour d'autres qui étudient les exoplanètes.
« Depuis sa découverte, cette planète a défié de multiples tentatives visant à comprendre ses propriétés et sa composition. Cette découverte est l’information la plus claire que nous ayons obtenue jusqu’à présent pour 55 Cancri e », a déclaré Dragomir.
Cette découverte ne serait pas possible sans le télescope spatial James Webb, qui permet aux chercheurs d’étudier les exoplanètes avec une plus grande précision que jamais. L’équipe a utilisé des images du télescope Webb pour analyser la lumière émise par l’exoplanète et son étoile. Pour ce faire, ils ont d’abord dû traduire les images en spectres lumineux. Ils ont ensuite comparé les observations à des spectres créés à partir de différentes combinaisons d’éléments et de molécules pour émettre des hypothèses sur les compositions atmosphériques potentielles de l’exoplanète. Cette étude est parmi les premières à utiliser les données du télescope Webb pour ce type d’enquête et les modèles utilisés dans l’étude pourraient fournir aux futurs chercheurs un processus permettant de réaliser des travaux similaires sur d’autres exoplanètes.
Cette courbe de lumière montre le changement de luminosité du système 55 Cancri à mesure que la planète rocheuse 55 Cancri e, la plus proche des cinq planètes connues du système, se déplace derrière l'étoile. Ce phénomène est appelé éclipse secondaire.
Lorsque la planète est à côté de l’étoile, la lumière infrarouge moyenne émise à la fois par l’étoile et par le côté jour de la planète atteint le télescope et le système apparaît plus lumineux. Lorsque la planète est derrière l’étoile, la lumière émise par la planète est bloquée et seule la lumière de l’étoile atteint le télescope, provoquant une diminution de la luminosité apparente.
Les astronomes peuvent soustraire la luminosité de l’étoile de la luminosité combinée de l’étoile et de la planète pour calculer la quantité de lumière infrarouge provenant du côté jour de la planète. Ceci est ensuite utilisé pour calculer la température diurne et déduire si la planète a ou non une atmosphère.
La température de la planète calculée à partir de cette observation est d’environ 1 800 kelvins (environ 2 800 degrés Fahrenheit), ce qui est nettement inférieur à ce à quoi on pourrait s’attendre si la planète n’avait pas d’atmosphère ou seulement une fine atmosphère de vapeur de roche. Cette température relativement basse indique que la chaleur est distribuée du côté jour vers le côté nuit de la planète, probablement par une atmosphère riche en substances volatiles.
Crédits : NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Aaron Bello-Arufe (NASA-JPL)
Efforts de collaboration et perspectives d’avenir
L'équipe de recherche émet l'hypothèse que l'atmosphère de l'exoplanète pourrait être composée de roches vaporisées riches en carbone, en monoxyde de carbone et en dioxyde de carbone. Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires pour confirmer les résultats, les émissions lumineuses de l'exoplanète et les modèles d'atmosphères riches en carbone semblent étroitement correspondre. Alors que les chercheurs savent que les conditions extrêmement difficiles de 55 Cancri e la rendent inhabitable, la découverte de son atmosphère confirme que les télescopes les plus récents dont disposent les scientifiques pourraient enfin être suffisamment sensibles pour étudier en détail des planètes rocheuses lointaines. Michael Bess, diplômé en astrophysique au printemps dernier, a travaillé avec Dragomir sur la partie du projet de l'UNM, traduisant les images en spectres et en exécutant des modèles pour aider à affiner les compositions atmosphériques potentielles.
« L'étude de l'atmosphère des exoplanètes peut nous en dire beaucoup sur les planètes à différents stades de formation », a déclaré Bess. « À terme, nous pourrons peut-être étudier l'habitabilité de planètes similaires, car une planète avec une atmosphère similaire à la nôtre pourrait éventuellement abriter la vie. »
Lorsque Bess a contacté Dragomir pour lui proposer de s'impliquer dans ses recherches, il ne s'attendait pas à travailler sur un projet d'une telle envergure.
«C'était vraiment excitant», a déclaré Bess à propos de son travail sur un projet aussi important en tant qu'étudiant de premier cycle. «Je pensais que c'était tellement fascinant, nouveau et intéressant de pouvoir travailler avec ce tout nouveau télescope incroyable et avec des gens extraordinaires de la NASA. C’était très amusant et beaucoup de travail et j’en ai apprécié chaque seconde.
Un spectre d'émission thermique capturé par la NIRCam (Near-Infrared Camera) de Webb en novembre 2022 et le MIRI (Mid-Infrared Instrument) en mars 2023, montre la luminosité (axe y) de différentes longueurs d'onde de lumière infrarouge (axe x) émise. par l'exoplanète super-Terre 55 Cancri e. Le spectre montre que la planète peut être entourée d'une atmosphère riche en dioxyde de carbone ou en monoxyde de carbone et d'autres substances volatiles, et pas seulement de roches vaporisées.
Le graphique compare les données collectées par NIRCam (points orange) et MIRI (points violets) à deux modèles différents. Le modèle A, en rouge, montre à quoi devrait ressembler le spectre d'émission de 55 Cancri e s'il avait une atmosphère constituée de roche vaporisée. Le modèle B, en bleu, montre à quoi devrait ressembler le spectre d'émission si la planète avait une atmosphère riche en substances volatiles dégazée par un océan de magma ayant un contenu volatil similaire à celui du manteau terrestre. Les données MIRI et NIRCam sont cohérentes avec le modèle riche en volatilité.
La quantité de lumière infrarouge moyenne émise par la planète (MIRI) montre que sa température diurne est nettement inférieure à ce qu'elle serait si elle n'avait pas d'atmosphère pour distribuer la chaleur du côté jour au côté nuit. La baisse du spectre entre 4 et 5 microns (données NIRCam) peut s'expliquer par l'absorption de ces longueurs d'onde par les molécules de monoxyde de carbone ou de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.
Crédits : NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Renyu Hu (NASA-JPL), Aaron Bello-Arufe (NASA-JPL), Michael Zhang (Université de Chicago), Mantas Zilinskas (SRON)
Confirmations et implications
Plusieurs équipes, dont Bess et Dragomir, ont chacune analysé les données individuellement puis se sont réunies pour comparer les résultats. Il a été constaté que les résultats obtenus par toutes les équipes concordaient, ce qui confortait l'interprétation correcte des données. Ce fut un moment passionnant non seulement pour toute l’équipe de recherche, mais surtout pour Bess dont le niveau de compétence en travaillant sur le projet est devenu comparable à celui des chercheurs ayant déjà obtenu leur doctorat.
« Vous avez un étudiant de premier cycle qui a analysé les ensembles de données à un niveau comparable à celui de ses collaborateurs beaucoup plus expérimentés, et il était également capable de communiquer et de se coordonner avec l'ensemble de l'équipe de manière indépendante », a déclaré Dragomir. « Je suis vraiment fier de Michael pour ça. »
Bess commencera son doctorat. en astrophysique cet automne à la Université de Floride. S'il choisit de poursuivre ses recherches sur 55 Cancri e, il lui restera encore beaucoup à découvrir.
Sans une atmosphère permettant de retenir la chaleur, il est probable que la température du côté de 55 Cancri e dans la nuit éternelle serait d'environ -400 degrés. Fahrenheit.
Nouvelles perspectives sur une planète de lave
« La présence d'une atmosphère sur 55 Cancri e explique également la température plus chaude que prévu mesurée sur la face nocturne de la planète. Même si ce côté ne fait jamais face à l’étoile, l’atmosphère aide à faire circuler la chaleur du côté jour partout sur la planète », a déclaré Dragomir.
Ces travaux confirment donc également les affirmations précédentes selon lesquelles 55 Cancri e serait une planète de lave avec une surface probablement en fusion. Grâce aux nouvelles connaissances sur son atmosphère, les scientifiques peuvent commencer à émettre des hypothèses sur la composition du reste de la planète.
Des études plus approfondies sont nécessaires pour continuer à percer les secrets de 55 Cancri e, mais d'ici là, la découverte la plus récente est hors du commun.
En savoir plus sur cette recherche :
- Webb découvre pour la première fois l'atmosphère d'une exoplanète rocheuse
