Illustration montrant à quoi pourrait ressembler l’exoplanète GJ 1214 b sur la base des informations actuelles. GJ 1214 b, une exoplanète chaude de la taille d’un sous-Neptune à environ 48 années-lumière de la Terre, est l’une des exoplanètes les plus étudiées de la galaxie. Des observations spectroscopiques antérieures indiquent que la planète est enveloppée d’aérosols (nuages ou brume), qui ont jusqu’à présent rendu impossible la détermination de la composition des gaz qui composent son épaisse atmosphère. Crédit : NASA, ESA, CSA et D. Player (STScI)
Le télescope spatial James Webb de la NASA prêt à lever la brume entourant les sous-Neptunes
Des études atmosphériques détaillées fourniront des informations clés sur certaines des planètes les plus courantes – et les plus mystérieuses – connues dans la galaxie.
Les voie Lactée regorge de planètes énigmatiques plus grandes que la Terre mais un peu plus petites que Neptune, courant autour de leurs étoiles plus vite et plus près que Mercure ne tourne autour du Soleil. À des années-lumière, obscurcies par la brume ou les nuages, et sans rien de comparable dans notre propre système solaire, la nature exacte de ces planètes presque omniprésentes de la taille de sous-Neptune reste un mystère. De quoi sont-ils faits? Comment se sont-ils formés ? Et que peuvent-ils nous dire sur les planètes et l’évolution planétaire en général ?
Avec sa capacité inégalée à mesurer des différences extrêmement subtiles dans la luminosité et la couleur de la faible lumière infrarouge, Nasa‘s Télescope spatial James Webb est prêt à lever la brume entourant la nature et l’origine du type de planète le plus commun observé dans la Voie lactée.
Illustration comparant les tailles des exoplanètes sub-Neptune TOI-421 b et GJ 1214 b à la Terre et à Neptune. TOI-421 b et GJ 1214 b se situent entre la Terre et Neptune en termes de rayon, de masse et de densité. Les faibles densités des deux exoplanètes indiquent qu’elles doivent avoir des atmosphères épaisses. Les planètes sont disposées de gauche à droite par ordre croissant de rayon et de masse :
Image de la Terre de l’Observatoire du climat dans l’espace lointain : La Terre est une planète rocheuse avec un rayon moyen d’environ 6 370 kilomètres, une masse d’environ 6 milliards de milliards de tonnes métriques et une densité 5,5 fois supérieure à celle de l’eau.
Illustration de TOI-421b : TOI-421 b est une exoplanète sous-Neptune chaude avec un rayon 2,68 fois la Terre, une masse 7,2 fois la Terre et une densité 2,05 fois l’eau.
Illustration de GJ 1214b : GJ 1214 b est une exoplanète sous-Neptune chaude avec un rayon 2,74 fois la Terre, une masse 8,2 fois la Terre et une densité 2,2 fois l’eau.
Image de Neptune de Voyager 2 : Neptune est une géante de glace avec un rayon 3,88 fois celui de la Terre (ce qui lui donne un volume près de 58 fois la Terre), une masse 17 fois la Terre et une densité de seulement 1,6 fois l’eau.
L’illustration montre les planètes à l’échelle en termes de rayon, mais pas d’emplacement dans l’espace ou de distance de leurs étoiles. Alors que la Terre et Neptune orbitent autour du Soleil, TOI-421 b orbite autour d’une étoile semblable au soleil à environ 244 années-lumière, et GJ 1214 b orbite autour d’une petite étoile naine rouge à environ 48 années-lumière.
Crédit : NASA, ESA, CSA et D. Player (STScI)
Plus de la moitié des systèmes stellaires semblables au Soleil étudiés dans la Voie lactée abritent un type mystérieux de planète unique dans notre propre système solaire.
Plus grandes que la Terre, plus petites que Neptune et orbitant plus près de leurs étoiles que Mercure orbite autour du Soleil, ces sous-Neptunes chaudes à chaudes sont le type de planète le plus couramment observé dans la galaxie. Mais bien que les chercheurs aient pu mesurer les propriétés de base – y compris la taille, la masse et l’orbite – de centaines de ces planètes, leur nature fondamentale reste incertaine.
S’agit-il de boules de roche et de fer denses, semblables à la Terre, recouvertes d’épaisses couches d’hydrogène et d’hélium ? Ou des mélanges moins denses de roche et de glace, entourés d’atmosphères humides et riches en eau ? Avec des données limitées et aucune planète de taille et d’orbite similaires dans notre propre système solaire à utiliser à des fins de comparaison, il a été difficile de répondre à ces questions.
« Quelles sont ces planètes ? Comment se forment-ils ? Pourquoi notre système solaire n’en a-t-il pas ? Ce sont des questions fondamentales », explique Jacob Bean, astronome au Université de Chicago qui a mené de nombreuses observations d’exoplanètes.
Illustration de ce à quoi pourrait ressembler l’exoplanète TOI-421 b. TOI-421 b est une exoplanète chaude de la taille d’une sous-Neptune en orbite autour d’une étoile semblable au Soleil à environ 244 années-lumière de la Terre. On pense que TOI-421 b a une atmosphère claire sans brume ni nuages. Crédit : NASA, ESA, CSA et D. Player (STScI)
Le problème de la brume
La clé pour comprendre de quoi sont faits les sous-Neptunes et comment ils se sont formés est d’examiner leurs atmosphères. Mais obtenir une vue claire n’a pas été facile.
La méthode d’analyse la plus efficace exoplanète atmosphères est une technique connue sous le nom de spectroscopie de transmission. Lorsque la planète transite par son étoile, certaines longueurs d’onde (couleurs) de la lumière des étoiles sont filtrées par les gaz de l’atmosphère de la planète. Étant donné que chaque type de gaz a une « signature » unique ou un ensemble de longueurs d’onde qu’il absorbe, il est possible de déterminer la composition d’une atmosphère en fonction des modèles du spectre de transmission.
Cette technique a été couronnée de succès pour de nombreuses exoplanètes, mais pas pour la plupart des sous-Neptunes. “Il y a eu très peu d’observations atmosphériques de planètes sub-Neptune”, explique Eliza Kempton de l’Université du Maryland-College Park, qui se spécialise dans la modélisation théorique des atmosphères des exoplanètes. “Et la plupart d’entre eux ont été insatisfaits dans la mesure où les spectres n’ont pas révélé grand-chose en termes de caractéristiques spectrales qui nous permettraient d’identifier les gaz dans l’atmosphère.”
Spectre de transmission possible de l’exoplanète chaude sub-Neptune TOI-421 b. Un spectre de transmission montre la quantité de lumière stellaire de différentes longueurs d’onde (couleurs) qui est bloquée par l’atmosphère de la planète. Les chercheurs utilisent des modèles informatiques pour prédire à quoi ressembleront les spectres en supposant certaines conditions atmosphériques plausibles telles que la température, l’abondance des différents gaz et les types d’aérosols présents. Crédit : NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI), Eliza Kempton (UMD)
Le problème semble être les aérosols, les minuscules particules et les gouttelettes qui composent les nuages ou la brume. Ces particules diffusent la lumière des étoiles, érodant les pics spectraux proéminents en de subtiles ondulations et rendant le spectre pratiquement inutile en termes de détermination de la composition du gaz.
Mais avec Webb, les chercheurs sont convaincus qu’une vision beaucoup plus claire des sous-Neptunes se profile à l’horizon. Deux programmes d’observation codirigés par Bean et Kempton et prévus pour la première année d’exploitation de Webb utiliseront les capacités exceptionnellement puissantes de Webb pour sonder deux planètes de la taille de sous-Neptune : GJ 1214 b, l’archétype sous-Neptune ; et TOI-421 b, une découverte plus récente.
L’archétype Sub-Neptune : GJ 1214 b
GJ 1214 b, un sous-Neptune chaud en orbite autour d’une étoile naine rouge voisine, a fait l’objet de dizaines d’enquêtes. Sa courte période orbitale, sa grande taille par rapport à son étoile et sa proximité comparative avec la Terre facilitent (au fur et à mesure que les exoplanètes disparaissent) une observation efficace, tandis que son statut de sous-Neptune de référence – et, selon Bean, “l’exoplanète la plus mystérieuse que nous connaissons » – en faire une cible digne d’investigation.
Ce diagramme simplifié d’une courbe de phase d’exoplanète montre le changement de luminosité totale d’un système étoile-planète lorsque la planète orbite autour de l’étoile. Le système semble plus lumineux lorsqu’une plus grande partie du côté éclairé de la planète fait face au télescope (phase complète) et s’assombrit lorsqu’une plus grande partie du côté sombre fait face au télescope (nouvelle phase). Crédit : NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)
L’équipe utilisera l’instrument à infrarouge moyen (MIRI) de Webb pour observer le système GJ 1214 presque en continu pendant près de 50 heures alors que la planète achève un peu plus d’une orbite complète. Ils analyseront ensuite les données de trois manières différentes pour affiner les combinaisons possibles de gaz et d’aérosols qui composent l’atmosphère de GJ 1214 b.
Spectroscopie de transmission : Si des molécules comme l’eau, le méthane ou l’ammoniac sont abondantes, elles devraient être évidentes dans le spectre de transmission. La lumière infrarouge moyen ne doit pas être diffusée par les aérosols de la même manière que la lumière visible et proche infrarouge.
Spectroscopie d’émission thermique : La lumière infrarouge moyenne émise par la planète elle-même fournira des informations sur la température et la réflectivité de la planète, qui sont toutes deux affectées par l’atmosphère. Une planète entourée d’une brume sombre, fuligineuse et absorbant la lumière, par exemple, sera plus chaude qu’une planète couverte de nuages brillants et réfléchissants.
Cartographie de la température de la courbe de phase : Bien que Webb ne puisse pas observer directement GJ 1214 b (la planète est trop proche de son étoile), il est suffisamment sensible pour mesurer des changements très subtils de la quantité totale de lumière du système lorsque la planète tourne autour de l’étoile. Les chercheurs utiliseront la courbe de phase de GJ 1214 b, un graphique de la luminosité en fonction de la phase (c’est-à-dire quelle partie du côté jour de la planète fait face au télescope) pour cartographier la température moyenne de la planète avec la longitude. Cela fournira des informations supplémentaires sur la circulation et la composition de l’atmosphère.
Sous-Neptune chaud TOI-421 b
On ne sait pas de quoi sont faits les aérosols entourant les sous-Neptunes chauds comme GJ 1214 b, mais ils pourraient être similaires à ceux qui composent la brume semblable au smog trouvée sur Saturnela lune Titan. Pour tester cette hypothèse, les chercheurs ont décidé de cibler TOI-421 b, une planète de taille et de densité similaires à GJ 1214 b, mais qui serait trop chaude pour qu’une brume de suie existe.
Webb observera TOI-421 b deux fois pendant qu’il transite par son étoile, une fois en utilisant l’imageur dans le proche infrarouge et le spectrographe sans fente (NIRISS) et de nouveau avec le spectrographe dans le proche infrarouge (NIRSpec), pour produire un spectre de transmission complet dans le proche infrarouge du planète. Si l’hypothèse est correcte et que le ciel de TOI-421 b est clair, le spectre peut être utilisé pour mesurer l’abondance de molécules comme l’eau, le méthane et le dioxyde de carbone. S’il s’avère que TOI-421 b a finalement un problème d’aérosols, l’équipe utilisera les données pour mieux comprendre de quoi ces aérosols sont faits.
Kempton et Bean sont convaincus qu’en sondant les atmosphères insaisissables sous-Neptune de différentes manières avec Webb, les scientifiques commenceront enfin à comprendre non seulement ces deux objets spécifiques, mais toute une classe de planètes.
Les observations MIRI de GJ 1214 b et les observations NIRISS et NIRSpec de TOI-421 b seront effectuées dans le cadre du programme d’observateurs généraux du cycle 1 de Webb. Les programmes des observateurs généraux ont été sélectionnés de manière compétitive à l’aide d’un système d’examen à double anonymat, le même système utilisé pour allouer du temps sur Hubble.
Le télescope spatial James Webb sera le premier observatoire mondial des sciences spatiales lors de son lancement en 2021. Webb résoudra les mystères de notre système solaire, regardera au-delà des mondes lointains autour d’autres étoiles et sondera les structures et les origines mystérieuses de notre univers et de notre lieu dedans. Webb est un programme international mené par la NASA avec ses partenaires, l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’Agence spatiale canadienne.
