La planète XO-3b possède une source de chaleur interne, probablement due au chauffage par effet de marée, causé par la compression de l’intérieur de la planète par la gravité de son étoile mère. Ce phénomène pourrait être accru par l’orbite légèrement elliptique de la planète (illustrée à droite), ce qui signifie qu’elle est plus ovale que circulaire. Crédit : NASA/JPL-Caltech
L’observatoire infrarouge pourrait aider à répondre à des questions sur les planètes situées en dehors de notre système solaire, ou exoplanètes, notamment sur la façon dont elles se forment et sur les causes de la météo dans leur atmosphère.
Deux nouvelles études utilisant les données de NASALe télescope spatial Spitzer de la NASA, aujourd’hui à la retraite, a permis de faire la lumière sur les exoplanètes géantes et les naines brunes, des objets qui ne sont pas tout à fait des étoiles mais pas non plus des planètes. Ces deux études ont fait l’objet de conférences de presse virtuelles organisées par l’American Astronomical Society le 13 janvier.
L’une des études montre que le climat des naines brunes – qui se forment comme des étoiles mais n’ont pas une masse suffisante pour commencer à brûler de l’hydrogène dans leur noyau comme le font les étoiles – varie avec l’âge. Les naines brunes et les exoplanètes géantes sont similaires en termes de diamètre, de masse et de composition, de sorte que la compréhension des propriétés atmosphériques de l’une peut fournir des indications sur celles de l’autre.
La deuxième étude fait partie d’un ensemble de travaux portant sur les Jupiters chauds – des exoplanètes gazeuses qui orbitent extrêmement près de leur étoile mère. Comment ces planètes massives ont-elles vu le jour et pourrait-il y avoir des sous-classes de Jupiters chauds avec des histoires de formation différentes ? Pour trouver des réponses à ces questions, les auteurs de l’étude se sont penchés sur les sujets suivants exoplanète XO-3b, un exemple rare de jupiter chaud. Jupiter observée lors de sa migration vers son étoile hôte.
Analogues d’exoplanètes
L’âge apporte souvent la stabilité chez les humains, et cela semble être vrai aussi pour les objets cosmiques. Johanna Vos, astrophysicienne à l’American Museum of Natural History de New York, parlera d’une étude Spitzer publiée dans l’Astrophysical Journal, qui a révélé une plus grande variabilité des conditions météorologiques sur les jeunes naines brunes que sur les anciennes.
En ce qui concerne les naines brunes, le mot variabilité fait référence aux changements à court terme de l’intensité des différentes longueurs d’onde de la lumière infrarouge provenant de l’atmosphère de l’objet. Les astronomes pensent que ces variations sont causées par les nuages, qui réfléchissent et absorbent la lumière dans l’atmosphère.
Une grande variabilité peut indiquer une caractéristique atmosphérique majeure, comme la Grande Tache Rouge de Jupiter – une tempête plus grande que la Terre qui tourbillonne depuis des centaines d’années. Elle peut également indiquer un changement rapide de l’atmosphère, qui peut avoir des causes multiples telles que des différences de température importantes dans l’atmosphère ou des turbulences (parfois causées par des vents puissants).
Cette illustration montre à quoi pourraient ressembler les nuages dans l’atmosphère d’une naine brune. Grâce au télescope spatial Spitzer de la NASA, aujourd’hui à la retraite, les scientifiques ont pu détecter des nuages et d’autres caractéristiques météorologiques dans l’atmosphère des naines brunes. Crédit : NASA/JPL-Caltech/IPAC/T. Pyle
En comparant les jeunes naines brunes aux observations Spitzer précédentes de naines brunes plus anciennes, les auteurs ont constaté que les jeunes objets sont plus susceptibles de présenter des variations atmosphériques. Ils ont également constaté que les variations sont plus importantes et plus spectaculaires dans les jeunes naines brunes. Vos et ses collègues attribuent cette différence au fait que les naines brunes sont plus gonflées lorsqu’elles sont jeunes, mais deviennent plus compactes en vieillissant, ce qui fait que l’atmosphère semble plus uniforme.
Les jeunes naines brunes sont similaires en termes de diamètre, de masse et de composition aux exoplanètes géantes principalement constituées de gaz. Mais l’étude des grandes exoplanètes est compliquée par la présence proche de leurs étoiles parentes : Le compagnon irradie l’atmosphère de la planète, ce qui en modifie la température, voire la chimie, et affecte la météo. La lumière vive de l’étoile rend également plus difficile l’observation de la planète, beaucoup moins lumineuse.
Les naines brunes, en revanche, peuvent servir de groupe témoin et être observées isolément dans l’espace. Les auteurs de l’étude prévoient d’intégrer cette nouvelle découverte dans les modèles d’évolution des atmosphères des naines brunes et des exoplanètes géantes avec l’âge.
Géantes en migration
Bien que les Jupiters chauds soient le type d’exoplanète le plus étudié, des questions majeures demeurent quant à leur formation. Par exemple, ces planètes prennent-elles forme loin de leur étoile mère – à une distance où il fait suffisamment froid pour que des molécules comme l’eau deviennent solides – ou plus près ? Le premier scénario correspond mieux aux théories sur la naissance des planètes dans notre propre système solaire, mais qu’est-ce qui pousserait ces types de planètes à migrer si près de leur étoile mère ?reste incertaine.
Lisa Dang, spécialiste des exoplanètes à l’Université McGill de Montréal, et ses collègues ont utilisé les données de Spitzer pour étudier une exoplanète nommée XO-3b, dont l’orbite est excentrique (ovale) plutôt que circulaire comme c’est le cas pour presque tous les autres Jupiters chauds connus. L’orbite excentrique indique que XO-3b a peut-être récemment migré vers son étoile mère ; si c’est le cas, elle finira par se stabiliser sur une orbite plus circulaire.
Les observations de Gaia, un observatoire spatial de l’ESA (Agence spatiale européenne), et de Spitzer suggèrent toutes deux que la planète produit une partie de sa propre chaleur, mais les scientifiques ne savent pas pourquoi. Les données de Spitzer fournissent également une carte des schémas climatiques de la planète. Il est possible que l’excès de chaleur provienne de l’intérieur de la planète, par un processus appelé chauffage par effet de marée. La pression gravitationnelle de l’étoile sur la planète oscille au fur et à mesure que l’orbite irrégulière de la planète l’éloigne puis la rapproche de l’étoile. Les changements de pression intérieure qui en résultent produisent de la chaleur.
Pour Dang, un Jupiter inhabituellement chaud fournit une occasion de tester des idées sur les processus de formation qui peuvent produire certaines caractéristiques chez ces exoplanètes. Par exemple, le réchauffement dû aux marées dans d’autres Jupiters chauds pourrait-il également être un signe de migration récente ? XO-3b ne résoudra pas à elle seule le mystère, mais elle constitue un test important pour les idées émergentes sur ces géants brûlants.
Plus d’informations sur la mission
L’ensemble des données scientifiques collectées par Spitzer pendant sa durée de vie est disponible au public via le site Web de la mission. Archives de données Spitzerconservées dans les archives scientifiques infrarouges de l’IPAC à Caltech, à Pasadena, en Californie. Le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, situé en Californie du Sud, a géré la mission du télescope spatial Spitzer pour le Science Mission Directorate de la NASA à Washington.
Les opérations scientifiques ont été menées au Spitzer Science Center de l’IPAC. Les opérations du vaisseau spatial étaient basées à Lockheed Martin Space à Littleton, Colorado.
