Le concept d’un artiste d’une planète extrasolaire « Jupiter chaude ». Crédit : NASA, ESA et L. Hustak (STScI)
Une équipe internationale de scientifiques, utilisant le télescope au sol de l’Observatoire Gemini au Chili, est la première à mesurer directement la quantité d’eau et de monoxyde de carbone dans l’atmosphère d’une planète d’un autre système solaire à environ 340 années-lumière.
L’équipe est dirigée par le professeur adjoint Michael Line de la School of Earth and Space Exploration de l’Arizona State University, et les résultats ont été publiés aujourd’hui (27 octobre 2021) dans la revue La nature.
Il existe des milliers de planètes connues en dehors de notre propre système solaire (appelées exoplanètes). Les scientifiques utilisent à la fois des télescopes spatiaux et des télescopes au sol pour examiner comment ces exoplanètes se forment et en quoi elles sont différentes des planètes de notre propre système solaire.
Pour cette étude, Line et son équipe se sont concentrés sur la planète « WASP-77Ab », un type de exoplanète appelé un « chaud Jupiter” parce qu’ils sont comme Jupiter de notre système solaire, mais avec une température supérieure à 2 000 degrés Fahrenheit.
Ils se sont ensuite concentrés sur la mesure de la composition de son atmosphère pour déterminer quels éléments sont présents, par rapport à l’étoile qu’elle orbite.
“En raison de leur taille et de leur température, les Jupiters chauds sont d’excellents laboratoires pour mesurer les gaz atmosphériques et tester nos théories sur la formation des planètes”, a déclaré Line.
Bien que nous ne puissions pas encore envoyer de vaisseaux spatiaux sur des planètes situées au-delà de notre système solaire, les scientifiques peuvent étudier la lumière des exoplanètes avec des télescopes. Les télescopes qu’ils utilisent pour observer cette lumière peuvent être soit dans l’espace, comme le Le télescope spatial Hubble, ou depuis le sol, comme les télescopes de l’Observatoire Gemini.
Line et son équipe avaient été largement impliqués dans la mesure des compositions atmosphériques des exoplanètes à l’aide de Hubble, mais l’obtention de ces mesures était difficile. Non seulement il y a une forte concurrence pour le temps du télescope, mais les instruments de Hubble ne mesurent que l’eau (ou l’oxygène) et l’équipe devait également collecter des mesures de monoxyde de carbone (ou de carbone).
C’est là que l’équipe s’est tournée vers le télescope Gemini South.
“Nous devions essayer quelque chose de différent pour répondre à nos questions”, a déclaré Line. « Et notre analyse des capacités de Gemini South a indiqué que nous pouvions obtenir des mesures atmosphériques ultra-précises. »
Gemini South est un télescope de 8,1 mètres de diamètre situé sur une montagne des Andes chiliennes appelée Cerro Pachón, où l’air très sec et la couverture nuageuse négligeable en font un emplacement de choix pour le télescope. Il est exploité par le NOIRLab (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory) de la National Science Foundation.
À l’aide du télescope Gemini South, avec un instrument appelé Immersion GRating INfrared Spectrometer (IGRINS), l’équipe a observé la lueur thermique de l’exoplanète alors qu’elle tournait autour de son étoile hôte. À partir de cet instrument, ils ont recueilli des informations sur la présence et les quantités relatives de différents gaz dans son atmosphère.
Comme les satellites météorologiques et climatiques utilisés pour mesurer la quantité de vapeur d’eau et de dioxyde de carbone dans l’atmosphère terrestre, les scientifiques peuvent utiliser des spectromètres et des télescopes, comme IGRINS sur Gemini South, pour mesurer les quantités de différents gaz sur d’autres planètes.
“Essayer de comprendre la composition des atmosphères planétaires, c’est comme essayer de résoudre un crime avec des empreintes digitales”, a déclaré Line. « Une empreinte digitale maculée ne la réduit pas vraiment trop, mais une très belle empreinte digitale propre fournit un identifiant unique à l’auteur du crime. »
Là où le télescope spatial Hubble a fourni à l’équipe peut-être une ou deux empreintes digitales floues, IGRINS sur Gemini South a fourni à l’équipe un ensemble complet d’empreintes digitales parfaitement claires.
Et avec des mesures claires de l’eau et du monoxyde de carbone dans l’atmosphère de WASP-77Ab, l’équipe a ensuite pu estimer les quantités relatives d’oxygène et de carbone dans l’atmosphère de l’exoplanète.
En mesurant le décalage Doppler illustré dans la colonne de droite de cette figure, les scientifiques peuvent reconstituer la vitesse orbitale d’une planète dans le temps vers ou loin de la Terre. La force du signal de la planète, comme indiqué dans la colonne du milieu, le long de la vitesse apparente attendue (courbe en pointillés marine) de la planète en orbite autour de l’étoile, contient des informations sur les quantités de différents gaz dans l’atmosphère. Crédit : P. Smith/M. Lignes. Selkirk/USS
“Ces montants étaient conformes à nos attentes et sont à peu près les mêmes que ceux de la star hôte”, a déclaré Line.
L’obtention d’abondances de gaz ultra-précises dans les atmosphères des exoplanètes n’est pas seulement une réalisation technique importante, en particulier avec un télescope au sol, cela peut également aider les scientifiques à rechercher la vie sur d’autres planètes.
“Ce travail représente une démonstration de pionnier sur la façon dont nous mesurerons finalement les gaz de biosignature comme l’oxygène et le méthane dans des mondes potentiellement habitables dans un avenir pas si lointain”, a déclaré Line.
Ce que Line et l’équipe s’attendent à faire ensuite, c’est de répéter cette analyse pour de nombreuses autres planètes et de constituer un «échantillon» de mesures atmosphériques sur au moins 15 autres planètes.
«Nous sommes maintenant au point où nous pouvons obtenir des précisions d’abondance de gaz comparables à celles de ces planètes dans notre propre système solaire. La mesure des abondances de carbone et d’oxygène (et d’autres éléments) dans l’atmosphère d’un plus grand échantillon d’exoplanètes fournit un contexte indispensable pour comprendre les origines et l’évolution de nos propres géantes gazeuses comme Jupiter et Saturne“, a déclaré Line.
Ils attendent également avec impatience ce que les futurs télescopes pourront offrir.
« Si nous pouvons le faire avec la technologie d’aujourd’hui, réfléchissez à ce que nous pourrons faire avec les télescopes émergents comme le télescope géant de Magellan », a déclaré Line. “C’est une réelle possibilité que nous puissions utiliser cette même méthode d’ici la fin de cette décennie pour détecter les signatures potentielles de la vie, qui contiennent également du carbone et de l’oxygène, sur des planètes rocheuses semblables à la Terre au-delà de notre propre système solaire.”
Référence : « A solar C/O and sub-solar metallicity in a hot Jupiter atmosphérique » par Michael R. Line, Matteo Brogi, Jacob L. Bean, Siddharth Gandhi, Joseph Zalesky, Vivien Parmentier, Peter Smith, Gregory N. Mace, Megan Mansfield, Eliza M.-R. Kempton, Jonathan J. Fortney, Evgenya Shkolnik, Jennifer Patience, Emily Rauscher, Jean-Michel Désert et Joost P. Wardenier, 27 octobre 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03912-6
En plus de Line, l’équipe de recherche comprend Joseph Zalesky, Evgenya Shkolnik, Jennifer Patience et Peter Smith de l’École d’exploration de la Terre et de l’espace de l’ASU; Matteo Brogi et Siddharth Gandhi du Université de Warwick (ROYAUME-UNI); Jacob Bean et Megan Mansfield du Université de Chicago; Vivien Parmentier et Joost Wardenier de la Université d’Oxford (ROYAUME-UNI); Gregory Mace de l’Université du Texas à Austin; Eliza Kempton de l’Université du Maryland ; Jonathan Fortney de l’Université de Californie, Santa Cruz ; Emily Rauscher de l’Université du Michigan ; et Jean-Michel Désert de l’Université d’Amsterdam.
