Marrakech, 21 févr. (Maroc-Actu) –
Des astronomes du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont obtenu la vue la plus claire à ce jour du côté toujours sombre d’une exoplanète. par une rotation synchrone avec son étoile.
Leurs observations, combinées aux mesures de la face diurne permanente de la planète, fournissent le première vue détaillée de l’atmosphère globale d’une exoplanète.
« Nous ne nous contentons plus de prendre des clichés isolés de régions spécifiques de l’atmosphère des exoplanètes, mais nous les étudions comme les systèmes en 3D qu’elles sont réellement », déclare la commissaire européenne à l’environnement. dans une déclaration Thomas Mikal-Evans, qui a dirigé l’étude en tant que post-doc à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT.
La planète qui fait l’objet de la nouvelle étude, publiée dans la revue « Nature Astronomy », est WASP-121b, une énorme géante gazeuse qui fait près de deux fois la taille de Jupiter. Il s’agit d’un Jupiter ultra-chaud découvert en 2015 en orbite autour d’une étoile à environ 850 années-lumière de la Terre.
WASP-121b a l’une des orbites les plus courtes détectées à ce jour, tournant autour de son étoile en seulement 30 heures. Il est également doté d’une rotation synchrone, de sorte que sa face « jour » tournée vers l’étoile est éclairée en permanence, tandis que son côté « nuit » est à jamais tourné vers l’espace.
« Les jupiters chauds sont connus pour avoir une face diurne très lumineuse, mais la face nocturne est une autre bête. Le côté nuit de WASP-121b est environ 10 fois plus faible que son côté jour. » explique Tansu Daylan, postdoc TESS au MIT et co-auteur de l’étude.
Les astronomes avaient déjà détecté de la vapeur d’eau et étudié comment la température atmosphérique change avec l’altitude du côté diurne de la planète, mais la nouvelle étude a permis de dresser un tableau beaucoup plus détaillé.
Les chercheurs, qui comptent également des scientifiques de l’université Johns Hopkins et de Caltech, entre autres institutions, ont pu cartographier les changements de température spectaculaires entre le jour et la nuit, et voir comment ces températures évoluent avec l’altitude. Ils ont également suivi la présence d’eau dans l’atmosphère pour montrer, pour la première fois, comment l’eau circule entre les côtés jour et nuit d’une planète.
Alors que sur Terre, les cycles de l’eau consistent en l’évaporation, la condensation dans les nuages et la pluie, sur WASP-121b, le cycle de l’eau est beaucoup plus intense : du côté du jour, les atomes qui composent l’eau sont déchirés à des températures supérieures à 3 000 Kelvin. Ces atomes se déplacent vers le côté nuit, où des températures plus froides permettent aux atomes d’hydrogène et d’oxygène de se recombiner en molécules d’eau, qui retournent ensuite vers le côté jour, où le cycle recommence.
L’équipe a calculé que le cycle de l’eau sur la planète est maintenu par les vents qui fouettent les atomes autour de la planète à des vitesses pouvant atteindre 5 kilomètres par seconde.
Il apparaît également que l’eau n’est pas la seule à circuler sur la planète. Les astronomes ont découvert que la face nocturne est suffisamment froide pour abriter des nuages exotiques de fer et de corindon, un minéral qui compose les rubis et les saphirs. Ces nuages, comme la vapeur d’eau, peuvent se déplacer vers le côté jour, où les températures élevées vaporisent les métaux sous forme de gaz. En cours de route, une pluie exotique pourrait être produite, comme les pierres précieuses liquides dans les nuages de corindon.
« Avec cette observation, nous obtenons vraiment une vue globale de la météorologie d’une exoplanète », déclare Mikal-Evans.
L’équipe a observé WASP-121b en utilisant une caméra spectroscopique à bord du télescope spatial Hubble de la NASA. L’instrument observe la lumière d’une planète et de son étoile, et décompose cette lumière en ses longueurs d’onde constitutives, dont les intensités donnent aux astronomes des indices sur la température et la composition d’une atmosphère.
Grâce à des études spectroscopiques, les scientifiques ont observé les détails atmosphériques du côté jour de nombreuses exoplanètes. Mais faire de même pour le côté nuit est beaucoup plus compliqué, car il faut observer de petits changements dans le spectre entier de la planète qui tourne autour de son étoile.
Pour la nouvelle étude, l’équipe a observé WASP-121b sur deux orbites complètes : une en 2018 et une en 2019. Pour les deux observations, les chercheurs ont recherché dans les données lumineuses une ligne spécifique, ou caractéristique spectrale, qui indique la présence de vapeur d’eau.
« Nous avons examiné cette caractéristique de l’eau et cartographié son évolution dans différentes parties de l’orbite de la planète », explique Mikal-Evans. Cela code des informations sur ce que fait la température de l’atmosphère de la planète en fonction de l’altitude. »
Les changements dans l’eau ont aidé l’équipe à tracer le profil de température du côté jour et du côté nuit. Ils ont constaté que la face diurne varie de 2 500 Kelvin dans sa couche observable la plus profonde à 3 500 Kelvin dans ses couches supérieures.
Le côté nuit varie de 1 800 Kelvin dans sa couche la plus profonde à 1 500 Kelvin dans sa haute atmosphère. Il est intéressant de noter que les profils de température semblent s’inverser, augmentant avec l’altitude du côté du jour – une « inversion thermique », en termes météorologiques – et diminuant avec l’altitude du côté de la nuit.
Les chercheurs ont soumis les cartes de température à différents modèles afin d’identifier les substances chimiques susceptibles d’exister dans l’atmosphère de la planète, compte tenu des altitudes et des températures spécifiques. Cette modélisation a révélé la possibilité de nuages de métaux tels que le fer, le corindon et le titane du côté de la nuit.
Grâce à leur cartographie des températures, l’équipe a également observé que la région la plus chaude de la planète est décalée vers l’est par rapport à la région « substellaire » située directement sous l’étoile. Ils en ont déduit que ce déplacement est dû à des vents extrêmes. « Le gaz se réchauffe au point mais il se déplace vers l’est avant de pouvoir rayonner dans l’espace », explique Mikal-Evans.
D’après la taille du déplacement, l’équipe estime que la vitesse du vent est d’environ 5 kilomètres par seconde. « Ces vents sont beaucoup plus rapides que notre jet stream, et peuvent probablement déplacer les nuages sur toute la planète en une vingtaine d’heures ».M. Daylan, qui a dirigé des travaux antérieurs sur la planète à l’aide de la mission TESS de la NASA, dirigée par le MIT, souligne.
Les astronomes ont réservé du temps sur le télescope spatial James Webb pour observer WASP-121b plus tard cette année, et espèrent cartographier les changements non seulement dans la vapeur d’eau, mais aussi dans le monoxyde de carbone, que les scientifiques soupçonnent de résider dans l’atmosphère.
« Ce serait la première fois que nous pourrions mesurer une molécule de carbone dans l’atmosphère de cette planète », déclare Mikal-Evans. La quantité de carbone et d’oxygène dans l’atmosphère fournit des indices sur le lieu de formation de ces planètes.
