Grâce au télescope spatial James Webb de la NASA, les scientifiques ont peut-être identifié des gaz atmosphériques sur 55 Cancri e, une exoplanète rocheuse très chaude. Cette découverte pourrait représenter la preuve la plus définitive de l’existence d’une atmosphère sur n’importe quelle planète rocheuse en dehors de notre système solaire. Crédit : Issues.fr.com
Le gaz bouillonnant d'une surface recouverte de lave sur 55 Cancri e peut alimenter une atmosphère riche en dioxyde de carbone ou en monoxyde de carbone.
De nos jours, détecter une atmosphère planétaire à des dizaines, voire des centaines d’années-lumière de la Terre, ne semble pas si grave. Les scientifiques ont découvert des signes d’atmosphère entourant des dizaines d’exoplanètes au cours des deux dernières décennies. Le problème, c’est que toutes ces planètes ont des atmosphères épaisses, dominées par l’hydrogène, qui sont relativement faciles à étudier. Les couvertures de gaz beaucoup plus minces qui entourent presque certainement certaines petites exoplanètes rocheuses sont restées insaisissables.
Les chercheurs pensent avoir enfin aperçu une atmosphère riche en volatilité entourant une planète rocheuse. Lumière émise par la chaleur et fortement irradiée exoplanète 55 Cancri e montre des preuves irréfutables d'une atmosphère, probablement riche en dioxyde de carbone ou en monoxyde de carbone, qui pourrait bouillonner à partir d'un vaste océan de lave recouvrant la surface de la planète.
Le résultat est la meilleure preuve à ce jour d’une atmosphère de planète rocheuse en dehors de notre système solaire.
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)
Le télescope spatial Webb fait allusion à une atmosphère possible entourant une exoplanète rocheuse
Les chercheurs utilisent NASAc'est Télescope spatial James Webb a peut-être détecté des gaz atmosphériques entourant 55 Cancri e, une exoplanète rocheuse chaude située à 41 années-lumière de la Terre. Il s’agit à ce jour de la meilleure preuve de l’existence d’une atmosphère de planète rocheuse en dehors de notre système solaire.
Renyu Hu du Jet Propulsion Laboratory de la NASA (JPL) à Pasadena, en Californie, est l'auteur principal d'un article publié le 8 mai dans Nature. « Webb repousse les frontières de la caractérisation des exoplanètes jusqu'aux planètes rocheuses », a déclaré Hu. «Cela permet véritablement un nouveau type de science.»
Super-Hot Super-Earth 55 Cancri e
55 Cancri e, également connue sous le nom de Janssen, est l'une des cinq planètes connues en orbite autour de l'étoile semblable au Soleil 55 Cancri, dans la constellation du Cancer. Avec un diamètre presque deux fois supérieur à celui de la Terre et une densité légèrement supérieure, la planète est classée comme une super-Terre : plus grande que la Terre, plus petite que Neptuneet probablement similaire en composition aux planètes rocheuses de notre système solaire.
Décrire 55 Cancri e comme « rocheux » pourrait cependant laisser une fausse impression. La planète orbite si près de son étoile (environ 1,4 million de miles, soit un vingt-cinquième de la distance entre Mercure et le Soleil) que sa surface est probablement en fusion – un océan bouillonnant de magma. Avec une orbite aussi étroite, la planète est également susceptible d'être verrouillée par les marées, avec un côté jour faisant face à l'étoile à tout moment et un côté nuit dans l'obscurité perpétuelle.
Malgré de nombreuses observations depuis sa découverte en transit en 2011, la question de savoir si 55 Cancri e possède ou non une atmosphère – voire même pourrait en avoir un étant donné sa température élevée et l’assaut continu du rayonnement stellaire et du vent de son étoile – est resté sans réponse.
« Je travaille sur cette planète depuis plus d'une décennie », a déclaré Diana Dragomir, chercheuse sur les exoplanètes à l'Université du Nouveau-Mexique et co-auteur de l'étude. « Il est vraiment frustrant qu'aucune des observations que nous avons obtenues n'ait résolu ces mystères de manière solide. Je suis ravi que nous obtenions enfin des réponses ! »
Contrairement aux atmosphères des planètes géantes gazeuses, qui sont relativement faciles à repérer (la première a été détectée par la NASA Le télescope spatial Hubble il y a plus de vingt ans), les atmosphères plus minces et plus denses entourant les planètes rocheuses sont restées insaisissables.
Des études antérieures de 55 Cancri e utilisant les données du télescope spatial Spitzer de la NASA, aujourd'hui à la retraite, suggéraient la présence d'une atmosphère importante riche en substances volatiles (molécules présentes sous forme gazeuse sur Terre) comme l'oxygène, l'azote et le dioxyde de carbone. Mais les chercheurs n’ont pas pu exclure une autre possibilité : que la planète soit nue, à l’exception d’un mince voile de roche vaporisée, riche en éléments comme le silicium, le fer, l’aluminium et le calcium. « La planète est si chaude qu'une partie de la roche en fusion devrait s'évaporer », a expliqué Hu.
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.
Crédits : NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Aaron Bello-Arufe (NASA-JPL)
Mesurer les variations subtiles des couleurs infrarouges
Pour faire la distinction entre les deux possibilités, l'équipe a utilisé la NIRCam (Near-Infrared Camera) et le MIRI (Mid-Infrared Instrument) de Webb pour mesurer la lumière infrarouge de 4 à 12 microns provenant de la planète.
Bien que Webb ne puisse pas capturer une image directe de 55 Cancri e, il peut mesurer les changements subtils de la lumière du système lorsque la planète tourne autour de l'étoile.
En soustrayant la luminosité pendant l'éclipse secondaire (voir image ci-dessus), lorsque la planète est derrière l'étoile (lumière des étoiles uniquement), de la luminosité lorsque la planète est juste à côté de l'étoile (lumière de l'étoile et de la planète combinées), l'équipe a été capable de calculer la quantité de différentes longueurs d'onde de lumière infrarouge provenant du côté jour de la planète.
Cette méthode, connue sous le nom de spectroscopie d'éclipse secondaire, est similaire à celle utilisée par d'autres équipes de recherche pour rechercher les atmosphères d'autres exoplanètes rocheuses, comme TRAPPIST-1 b.
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)
Plus frais que prévu
La première indication selon laquelle 55 Cancri e pourrait avoir une atmosphère substantielle provenait de mesures de température basées sur son émission thermique (voir image ci-dessus), ou d'énergie thermique dégagée sous forme de lumière infrarouge. Si la planète est recouverte de roches sombres en fusion avec un mince voile de roche vaporisée ou sans atmosphère du tout, la température du côté jour devrait être d'environ 4 000 degrés. Fahrenheit (~2 200 degrés Celsius).
« Au lieu de cela, les données MIRI ont montré une température relativement basse d'environ 2 800 degrés Fahrenheit (~ 1 540 degrés Celsius) », a déclaré Hu. « C'est une très forte indication que l'énergie est distribuée du côté jour vers le côté nuit, très probablement par une atmosphère riche en volatilité. » Bien que les courants de lave puissent transporter une certaine chaleur vers la nuit, ils ne peuvent pas la déplacer suffisamment efficacement pour expliquer l’effet de refroidissement.
Lorsque l’équipe a examiné les données du NIRCam, elle a constaté des tendances cohérentes avec une atmosphère riche et volatile.
Nous constatons une baisse du spectre entre 4 et 5 microns – moins de lumière atteint le télescope », a expliqué le co-auteur Aaron Bello-Arufe, également du NASA JPL. « Cela suggère la présence d'une atmosphère contenant du monoxyde de carbone ou du dioxyde de carbone, qui absorbent ces longueurs d'onde de lumière. » Une planète sans atmosphère ou avec une atmosphère constituée uniquement de roches vaporisées n'aurait pas cette particularité spectrale.
« Nous avons passé les dix dernières années à modéliser différents scénarios, en essayant d'imaginer à quoi pourrait ressembler ce monde », a déclaré la co-auteure Yamila Miguel de l'Observatoire de Leiden et de l'Institut néerlandais de recherche spatiale (SRON). « Avoir enfin une confirmation de notre travail n’a pas de prix ! »
Océan de magma bouillonnant
L'équipe pense que les gaz recouvrant 55 Cancri e jailliraient de l'intérieur, plutôt que d'être présents depuis la formation de la planète. « L'atmosphère primaire aurait disparu depuis longtemps en raison de la température élevée et du rayonnement intense de l'étoile », a déclaré Bello-Arufe. « Il s’agirait d’une atmosphère secondaire continuellement reconstituée par l’océan magmatique. Le magma n’est pas seulement constitué de cristaux et de roches liquides ; il contient aussi beaucoup de gaz dissous.
Bien que 55 Cancri e soit beaucoup trop chaude pour être habitable, les chercheurs pensent qu'elle pourrait fournir une fenêtre unique pour étudier les interactions entre les atmosphères, les surfaces et l'intérieur des planètes rocheuses, et peut-être fournir un aperçu des premières conditions de la Terre. Vénuset Mars, qui auraient été recouvertes d'océans magmatiques dans le passé. « En fin de compte, nous voulons comprendre quelles conditions permettent à une planète rocheuse de maintenir une atmosphère riche en gaz : un ingrédient clé pour une planète habitable », a déclaré Hu.
Cette recherche a été menée dans le cadre du programme d'observateurs généraux (GO) de Webb en 1952. L'analyse d'observations d'éclipses secondaires supplémentaires de 55 Cancri e est actuellement en cours.
Le télescope spatial James Webb est le premier observatoire scientifique spatial 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 mené par la NASA avec ses partenaires, l'ESA (Agence spatiale européenne) et l'Agence spatiale canadienne.
