JWST examine l’atmosphère d’un mini-Neptune orageux et torride

Ce n’est pas parce qu’il n’y a pas de mini-Neptune dans notre système solaire qu’elles ne sont pas courantes. Ils semblent être répandus dans toute la Voie lactée et, selon la NASA, sont le type d’exoplanète le plus courant. GJ 1214 b en fait partie.

L’un des objectifs scientifiques déclarés du télescope spatial James Webb est l’étude des exoplanètes. Il a fait des progrès sur ce front, y compris le système bien connu TRAPPIST-1 qui héberge sept mondes de la taille de la Terre. (Merci pour le buzz kill, JWST.)

Alors que les rêves de trouver des planètes habitables et porteuses de vie dominent une grande partie de la réflexion sur les exoplanètes, il y a plus à apprendre que si des planètes individuelles peuvent supporter la vie. Nous avons encore beaucoup de questions sur la formation des planètes, l’évolution de leurs atmosphères et pourquoi certains types sont si courants mais absents de notre système solaire.

Mais avec tant d’exoplanètes qui ne demandent qu’à être étudiées, les astronomes utilisant le JWST doivent choisir judicieusement leurs cibles. Ce processus judicieux a conduit une équipe d’astronomes à GJ 1214 b (Gliese 1214 b.) Ils ont observé le mini-Neptune avec le MIRI et le spectromètre à basse résolution du JWST et ont publié leurs résultats dans un article dans Nature intitulé “Un réflecteur, riche en métal atmosphère pour GJ 1214b à partir de sa courbe de phase JWST. L’auteur principal est Eliza Kempton, chercheuse à l’Université du Maryland.

Gliese 1214 est une étoile naine rouge située à environ 40 années-lumière dans la constellation d’Ophiuchus. Le projet MEarth a trouvé GJ 1214 b, sa seule planète, avec la méthode de transit en 2009. Des observations de suivi avec Hubble ont suggéré qu’il s’agissait d’un monde aquatique avec une atmosphère épaisse et humide. C’est environ huit fois plus massif que la Terre et environ 2,75 rayons terrestres.

Dans l’article présentant sa découverte, les auteurs écrivent: «Nous constatons que la masse et le rayon planétaires sont cohérents avec une composition principalement d’eau entourée d’une enveloppe hydrogène-hélium qui ne représente que 0,05% de la masse de la planète. L’atmosphère s’échappe probablement de manière hydrodynamique, indiquant qu’elle a subi une évolution significative au cours de son histoire.

C’était le premier mini-Neptune trouvé qui a une atmosphère, et seulement le second où la masse et le rayon ont été déterminés. Mais tout autre détail était caché par l’épaisse couche de brume ou de nuages ​​de la planète. Compte tenu de tout cela, il est logique que les astronomes aient voulu utiliser le JWST pour l’étudier plus avant.

“La planète est totalement recouverte d’une sorte de brume ou de couche nuageuse”, a déclaré l’auteur principal Kempton. “L’atmosphère nous est restée totalement cachée jusqu’à cette observation.”

Kempton et ses co-auteurs sont allés au-delà d’une observation typique d’exoplanète. Habituellement, les astronomes entraînent des télescopes sur une exoplanète pendant qu’elle transite devant son étoile. La lumière des étoiles traverse l’atmosphère et la lumière est analysée pour détecter les constituants chimiques et d’autres caractéristiques. Mais dans ce cas, ils ont suivi la planète sur presque toute une orbite.

Le puissant instrument MIRI du JWST a été amené sur la planète alors qu’il tournait autour de son étoile. Ses observations ont créé une carte thermique de la planète qui montrait les côtés jour et nuit, éclairant plus de détails sur son atmosphère.

“La capacité d’obtenir une orbite complète était vraiment essentielle pour comprendre comment la planète distribue la chaleur du côté jour au côté nuit”, a déclaré Kempton. « Il y a beaucoup de contraste entre le jour et la nuit. Le côté nuit est plus froid que le côté jour. Les températures sont passées de 279 à 165 C (535 à 326 degrés F.)

Une variation de température aussi prononcée indique que des molécules lourdes sont présentes, comme H₂O et CH₄. Si son atmosphère était dominée par l’hydrogène plus léger, cela signalerait une formation et une évolution différentes. Une quantité suffisante d’hydrogène indique normalement qu’une planète est constituée des mêmes éléments que la nébuleuse solaire, ce qui signifie qu’elle est constituée des mêmes éléments que son étoile. Mais l’eau et le méthane pourraient être des indices importants de l’évolution de la planète et de son éventuel démarrage aqueux.

“Ce n’est pas une atmosphère primordiale”, a-t-elle déclaré. “Cela ne reflète pas la composition de l’étoile hôte autour de laquelle il s’est formé. Au lieu de cela, soit il a perdu beaucoup d’hydrogène, s’il a commencé avec une atmosphère riche en hydrogène, soit il s’est formé à partir d’éléments plus lourds pour commencer – un matériau plus glacé et riche en eau.

Les planètes perdent généralement de l’hydrogène de leur atmosphère parce qu’elle est si légère. La Terre perd environ 90 tonnes d’hydrogène et d’hélium dans l’espace chaque jour. En fait, les mini-Neptunes sont parfois considérés comme planètes chaînon manquant qui ont commencé comme des versions plus petites et plus denses de Neptune qui ont perdu d’énormes quantités d’hydrogène et d’hélium pour les ramener à leurs tailles actuelles. Cela s’est-il produit avec le GJ 1214b ?

“Au cours de la dernière décennie, la seule chose que nous savions vraiment sur cette planète était que l’atmosphère était nuageuse ou brumeuse”, a déclaré Rob Zellem, un chercheur sur les exoplanètes qui travaille avec le co-auteur et collègue chercheur sur les exoplanètes Tiffany Kataria au Jet Propulsion Laboratory de la NASA. en Californie du Sud. “Cet article a des implications vraiment intéressantes pour des interprétations climatiques détaillées supplémentaires – pour examiner la physique détaillée qui se passe à l’intérieur de l’atmosphère de cette planète.”

Selon les auteurs, une conclusion est que GJ 1214b s’est formé plus loin de son étoile qu’aujourd’hui. Puis quelque chose s’est passé pour l’envoyer vers l’intérieur, plus près de la naine rouge autour de laquelle elle orbite. Plus il se rapprochait, plus son atmosphère était dépouillée.

Les auteurs écrivent qu’il est difficile de discerner exactement quels autres composants chimiques cette planète pourrait avoir, mais que le cyanure d’hydrogène, un sous-produit du méthane, pourrait être présent. “Il existe des preuves d’une absorption supplémentaire du côté nuit à partir d’une combinaison de CH4 et de HCN. Il est intéressant de noter que le HCN devrait se former en tant que sous-produit de la photolyse du CH4 ; ce dernier processus est nécessaire pour catalyser la formation de brume d’hydrocarbures. Certaines des données suggèrent que GJ 1214b a une brume d’hydrocarbures, mais ce n’est pas concluant.

Les auteurs disent que leurs découvertes excluent une atmosphère non altérée. «Au lieu de cela, nos observations sont cohérentes avec une atmosphère riche en hydrogène mais à métallicité améliorée. Ceci est conforme aux prévisions qui
les sous-Neptunes conservent des atmosphères primordiales composées de gaz nébuleux », mais l’atmosphère est alors reconfigurée par perte de masse. Une autre possibilité est qu’il s’agisse d’un monde aquatique et que sa forte teneur en eau résulte de la formation de la planète au-delà de la ligne de glace d’eau, ou qu’elle ait incorporé des matériaux de cette région.

“L’explication la plus simple, si vous trouvez une planète très riche en eau, est qu’elle s’est formée plus loin de l’étoile hôte”, a déclaré Kempton.

Comme c’est souvent le cas lorsqu’il s’agit d’exoplanètes, le premier examen détaillé d’un type peut commencer à conduire les astronomes à des conclusions, mais avec un seul point de données, toutes les conclusions sont préliminaires. Heureusement, les mini-Neptunes sont nombreux et le JWST en est aux premières années de sa mission.

“En observant toute une population d’objets comme celui-ci, nous espérons pouvoir construire une histoire cohérente”, a déclaré Kempton.

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