Concept d’artiste d’une planète extrasolaire « Jupiter chaude ». Crédit : NASA/JPL-Caltech
En combinant Le télescope spatial Hubble observations avec des modèles théoriques, une équipe d’astronomes a obtenu des informations sur la composition chimique et physique d’une variété d’exoplanètes connues sous le nom de Jupiters chaudes. Les résultats fournissent un “guide de terrain” nouveau et amélioré pour ce groupe de planètes et informent des idées sur la formation des planètes en général.
Les Jupiters chaudes – des planètes gazeuses géantes qui tournent autour de leurs étoiles hôtes sur des orbites extrêmement serrées – sont devenues un peu moins mystérieuses grâce à une nouvelle étude combinant la modélisation théorique avec les observations du télescope spatial Hubble.
Alors que les études précédentes se concentraient principalement sur des mondes individuels classés comme « Jupiters chauds » en raison de leur similitude superficielle avec la géante gazeuse de notre propre système solaire, la nouvelle étude est la première à examiner une population plus large de mondes étranges.
L’étude, publiée dans Astronomie de la nature, fournit aux astronomes un “guide de terrain” sans précédent sur les Jupiters chauds et offre un aperçu de la formation des planètes en général. Il a été dirigé par Megan Mansfield de l’observatoire Steward de l’Université d’Arizona et comprend le co-auteur de l’ASU et professeur adjoint Michael Line de la School of Earth and Space Exploration. Parmi les autres auteurs de l’ASU figurent la doctorante actuelle Lindsey Wiser et l’ancien doctorant Ehsan Gharib-Nezhad, actuellement de Nasa Centre de recherche Ames.
Bien que les astronomes pensent que seulement 1 étoile sur 10 environ héberge une exoplanète au chaud Jupiter classe, les planètes particulières constituent une partie importante des exoplanètes découvertes à ce jour, en raison du fait qu’elles sont plus grandes et plus lumineuses que d’autres types d’exoplanètes, telles que les planètes rocheuses plus semblables à la Terre ou les planètes gazeuses plus petites et plus froides. D’une taille allant d’environ un tiers de la taille de Jupiter à 10 masses de Jupiter, tous les Jupiters chauds orbitent autour de leur étoile hôte à une distance extrêmement proche, généralement beaucoup plus proche que Mercure, la planète la plus interne de notre système solaire, ne l’est du soleil. Une « année » sur un Jupiter chaud typique dure des heures, ou tout au plus quelques jours. À titre de comparaison, Mercure met près de trois mois pour effectuer un voyage autour du soleil.
En raison de leurs orbites proches, on pense que la plupart, sinon la totalité, des Jupiters chauds sont enfermés dans une étreinte à grande vitesse avec leurs étoiles hôtes, avec un côté éternellement exposé au rayonnement de l’étoile et l’autre enveloppé dans l’obscurité perpétuelle. La surface d’un Jupiter chaud typique peut atteindre près de 5 000 degrés Fahrenheit, avec des spécimens “plus froids” atteignant 1 400 degrés – assez chauds pour faire fondre l’aluminium.
La recherche a utilisé des observations faites avec le télescope spatial Hubble qui ont permis à l’équipe de mesurer directement les spectres d’émission des Jupiters chauds, malgré le fait que Hubble ne puisse imager aucune de ces planètes directement.
“Ces systèmes, ces étoiles et leurs Jupiters chauds, sont trop éloignés pour résoudre l’étoile individuelle et sa planète”, a déclaré Mansfield. “Tout ce que nous pouvons voir est un point – la source lumineuse combinée des deux.”
Mansfield et son équipe ont utilisé une méthode connue sous le nom d’éclipse secondaire pour extraire des informations des observations qui leur ont permis de scruter profondément l’atmosphère des planètes et de mieux comprendre leur structure et leur composition chimique. La technique implique des observations répétées du même système, capturant la planète à divers endroits de son orbite, y compris lorsqu’elle plonge derrière l’étoile.
“Nous mesurons essentiellement la lumière combinée provenant de l’étoile et de sa planète et comparons cette mesure avec ce que nous voyons lorsque la planète est cachée derrière son étoile”, a déclaré Mansfield. “Cela nous permet de soustraire la contribution de l’étoile et d’isoler la lumière émise par la planète, même si nous ne pouvons pas la voir directement.”
Les données d’éclipse ont fourni aux chercheurs un aperçu de la structure thermique des atmosphères des Jupiters chauds et leur ont permis de construire des profils individuels de températures et de pressions pour chacun. L’équipe a ensuite analysé la lumière proche infrarouge, qui est une bande de longueurs d’onde juste au-delà de la plage que les humains peuvent voir, provenant de chaque système Jupiter chaud pour les caractéristiques d’absorption. Parce que chaque molécule ou atome a son propre profil d’absorption spécifique, comme une empreinte digitale, regarder différentes longueurs d’onde permet aux chercheurs d’obtenir des informations sur la composition chimique des Jupiters chauds. Par exemple, si de l’eau est présente dans l’atmosphère de la planète, elle absorbera la lumière à 1,4 micron, ce qui tombe dans la gamme de longueurs d’onde que Hubble peut très bien voir.
“D’une certaine manière, nous utilisons des molécules pour parcourir les atmosphères de ces Jupiters chauds”, a déclaré Mansfield. “Nous pouvons utiliser le spectre que nous observons pour obtenir des informations sur la composition de l’atmosphère, et nous pouvons également obtenir des informations sur la structure de l’atmosphère.”
L’équipe est allée plus loin en quantifiant les données d’observation et en les comparant à des modèles, développés par Line, des processus physiques qui seraient à l’œuvre dans les atmosphères des Jupiters chauds. Les deux ensembles correspondaient très bien, confirmant que de nombreuses prédictions sur la nature des planètes basées sur des travaux théoriques semblent être correctes, selon Mansfield, qui a déclaré que les découvertes étaient “excitantes car elles étaient tout sauf garanties”.
Les résultats suggèrent que tous les Jupiters chauds, et pas seulement les 19 inclus dans l’étude, sont susceptibles de contenir des ensembles de molécules similaires, comme l’eau et le monoxyde de carbone, ainsi que de plus petites quantités d’autres molécules. Les différences entre les planètes individuelles devraient principalement correspondre à des quantités relatives variables de ces molécules. Les résultats ont également révélé que les caractéristiques d’absorption d’eau observées variaient légèrement d’un Jupiter chaud à l’autre.
« Pris ensemble, nos résultats nous indiquent qu’il y a de bonnes chances que nous ayons compris les éléments d’ensemble qui se produisent dans la chimie de ces planètes », a déclaré Mansfield. “En même temps, chaque planète a sa propre composition chimique, et cela influence également ce que nous voyons dans nos observations.”
Le co-auteur Line a déclaré : « Il y a eu beaucoup de découvertes passionnantes et inattendues concernant les atmosphères chaudes de Jupiter au cours de la dernière décennie. Ce qui est bien dans cette enquête, c’est que ces mondes ne sont peut-être pas aussi exotiques que nous l’avions initialement prévu ; ils semblent bien conformes aux prédictions de notre modèle. »
Selon les auteurs, les résultats peuvent être utilisés pour orienter les attentes de ce que les astronomes pourraient voir en regardant un Jupiter chaud qui n’a pas été étudié auparavant. Le lancement du télescope phare de la NASA, le Télescope spatial James Webb (JWST), prévu pour le 18 décembre, a excité les chasseurs d’exoplanètes car Webb peut voir dans une gamme beaucoup plus large de lumière infrarouge et permettra un examen beaucoup plus détaillé des exoplanètes, y compris les Jupiters chauds.
« Il y a encore beaucoup de choses que nous ne savons pas encore sur la façon dont les planètes se forment en général, et l’une des façons dont nous essayons de comprendre comment cela pourrait se produire est d’examiner les atmosphères de ces Jupiters chauds et de déterminer comment elles sont devenues. où ils sont », a déclaré Mansfield. « Avec les données de Hubble, nous pouvons examiner les tendances en étudiant l’absorption d’eau, mais lorsque nous parlons de la composition de l’atmosphère dans son ensemble, il existe de nombreuses autres molécules importantes que vous souhaitez examiner, telles que le monoxyde de carbone et le carbone. dioxyde de carbone, et JWST nous donnera une chance de les observer également. »
Référence : « A unique hot Jupiter spectral sequence with evidence for compositional diversity » par Megan Mansfield, Michael R. Line, Jacob L. Bean, Jonathan J. Fortney, Vivien Parmentier, Lindsey Wiser, Eliza M.-R. Kempton, Ehsan Gharib-Nezhad, David K. Sing, Mercedes López-Morales, Claire Baxter, Jean-Michel Désert, Mark R. Swain et Gael M. Roudier, 21 octobre 2021, Astronomie de la nature.
DOI : 10.1038 / s41550-021-01455-4
Cet article a été écrit par Daniel Stolte de l’Université de l’Arizona, avec la contribution de Karin Valentine de l’École d’exploration de la Terre et de l’espace de l’ASU.
