Une équipe internationale de chercheurs a découvert que des variations précédemment observées de la luminosité d'un objet de masse planétaire flottante connu sous le nom de Simp 0136 doivent être le résultat d'une combinaison complexe de facteurs atmosphériques et ne peuvent pas être expliquées par les nuages seuls.
En utilisant le télescope spatial James Webb de la NASA pour surveiller un large éventail de lumière infrarouge émise sur deux périodes de rotation complètes par Simp 0136, l'équipe a pu détecter des variations des couches de nuages, de la température et de la chimie du carbone qui étaient auparavant cachées.
Les résultats fournissent un aperçu crucial de la complexité tridimensionnelle des atmosphères géantes du gaz à l'intérieur et au-delà de notre système solaire. La caractérisation détaillée d'objets comme ceux-ci est une préparation essentielle pour l'imagerie directe des exoplanètes, des planètes en dehors de notre système solaire, avec le télescope spatial romain de la NASA Nancy Grace, qui devrait commencer les opérations en 2027.
Rotation rapide, flottant librement
Simp 0136 est un objet en rotation rapide et flottant librement environ 13 fois la masse de Jupiter, situé dans la Voie lactée à seulement 20 années-lumière de la Terre. Bien qu'il ne soit pas classé comme une exoplanet géant du gaz – il n'orbit pas une étoile et peut plutôt être un nain brun – le simple 0136 est une cible idéale pour l'exo-météorologie: c'est l'objet le plus brillant du genre dans le ciel du nord. Parce qu'il est isolé, il peut être observé sans crainte de contamination ou de variabilité de la lumière causée par une étoile hôte. Et sa courte période de rotation de seulement 2,4 heures permet de remettre en question très efficacement.
Avant les observations Webb, Simp 0136 avait été étudié de manière approfondie à l'aide d'observatoires au sol et de télescopes spatiaux Hubble et Spitzer de la NASA.
« Nous savions déjà que cela varie en luminosité, et nous étions convaincus qu'il y a des couches de nuages inégales qui tournent à l'intérieur et à l'extérieur et à évoluer au fil du temps », a expliqué Allison McCarthy, doctorante à l'Université de Boston et auteur principal sur une étude publiée dans Les lettres de journal astrrophysique. « Nous avons également pensé qu'il pourrait y avoir des variations de température, des réactions chimiques et peut-être certains effets de l'activité aurorale affectant la luminosité, mais nous n'étions pas sûrs. »
Pour le comprendre, l'équipe avait besoin de la capacité de Webb à mesurer des changements très précis de la luminosité sur un large éventail de longueurs d'onde.
Tracer des milliers d'arcs-en-ciel infrarouges
En utilisant NIRSPEC (spectrographe proche infrarouge), WebB a capturé des milliers de spectres individuels de 0,6 à 5,3 micron – une toutes les 1,8 seconde sur plus de trois heures lorsque l'objet a terminé une rotation complète. Ceci a été immédiatement suivi d'une observation avec Miri (instrument infrarouge médian), qui a collecté des centaines de mesures spectroscopiques de la lumière de 5 à 14 micron – une toutes les 19,2 secondes, sur une autre rotation.
Le résultat a été des centaines de courbes de lumière détaillées, chacune montrant le changement de luminosité d'une longueur d'onde très précise (couleur) en différents côtés de l'objet en vue.
« Voir le spectre complet de ce changement d'objet au cours des minutes était incroyable », a déclaré l'enquêteur principal Johanna Vos, du Trinity College Dublin. « Jusqu'à présent, nous n'avions qu'une petite tranche du spectre proche infrarouge de Hubble et quelques mesures de luminosité de Spitzer. »
L'équipe a remarqué presque immédiatement qu'il y avait plusieurs formes distinctes de courbe lumineuse. À tout moment, certaines longueurs d'onde devenaient plus lumineuses, tandis que d'autres devenaient un gradateur ou ne changeaient pas beaucoup du tout. Un certain nombre de facteurs différents doivent affecter les variations de luminosité.
« Imaginez regarder la Terre de loin. Si vous deviez regarder chaque couleur séparément, vous verriez différents modèles qui vous disent quelque chose sur sa surface et son atmosphère, même si vous ne pouviez pas distinguer les caractéristiques individuelles », a expliqué le co-auteur Philip Muirhead, également de l'Université de Boston. « Le bleu augmenterait à mesure que les océans tournent en vue. Les changements en brun et en vert vous diraient quelque chose sur le sol et la végétation. »
Nuages inégaux, points chauds et chimie du carbone
Pour comprendre ce qui pourrait provoquer la variabilité de Simp 0136, l'équipe a utilisé des modèles atmosphériques pour montrer où dans l'atmosphère, chaque longueur d'onde de lumière était originaire.
« Différentes longueurs d'onde fournissent des informations sur différentes profondeurs dans l'atmosphère », a expliqué McCarthy. « Nous avons commencé à réaliser que les longueurs d'onde qui avaient les formes de courbe lumineuse les plus similaires ont également sondé les mêmes profondeurs, ce qui a renforcé cette idée qu'ils doivent être causés par le même mécanisme. »
Un groupe de longueurs d'onde, par exemple, provient profondément dans l'atmosphère où il pourrait y avoir des nuages inégaux en particules de fer. Un deuxième groupe provient de nuages plus élevés censés être faits de minuscules grains de minéraux de silicate. Les variations de ces deux courbes lumineuses sont liées au patch des couches de nuages.
Un troisième groupe de longueurs d'onde provient de très haute altitude, bien au-dessus des nuages, et semble suivre la température. Des « points chauds » brillants pouvaient être liés à des aurores qui étaient précédemment détectés aux longueurs d'onde radio, ou à la remontée du gaz chaud de plus profondément dans l'atmosphère.
Certaines courbes de lumière ne peuvent pas être expliquées par des nuages ou une température, mais montrent plutôt des variations liées à la chimie du carbone atmosphérique. Il pourrait y avoir des poches de monoxyde de carbone et de dioxyde de carbone qui tournent et hors de vue, ou des réactions chimiques provoquant un changement de l'atmosphère avec le temps.
« Nous n'avons pas encore vraiment compris la partie chimie du puzzle », a déclaré Vos. « Mais ces résultats sont vraiment excitants car ils nous montrent que les abondances de molécules comme le méthane et le dioxyde de carbone pourraient changer d'un endroit à l'autre et au fil du temps. Si nous envisageons une exoplanet et ne pouvons obtenir qu'une seule mesure, nous devons considérer qu'il pourrait ne pas être représentatif de toute la planète. »
