UNE EXOPLANÈTE ENTOURÉE D'UNE ATMOSPHÈRE D'EAU LUMINESCENTE
Une équipe internationale, comprenant des chercheurs de l'Institut d'astrophysique de Paris, a découvert la présence d'une stratosphère autour d'une planète géante externe à notre système solaire, au sein d'une atmosphère assez chaude pour mettre en ébullition le fer. Ces résultats ont été publiés le 3 août 2017 dans le journal « Nature ».
Figure 1 : Vue d'artiste de l'exoplanète WASP-121b chauffée par son étoile très proche, avec l'illustration du grand contraste de chauffage des côtés jour et nuit. Le halo bleu elliptique vise à suggérer l’atmosphère complète de la planète, mais les détails de sa forme, épaisseur et composition sont actuellement incertains. La stratosphère contenant de l’eau luminescente est incluse dans cette atmosphère, mais les modélisations de l’atmosphère de l’exoplanète ne permettent pas de déterminer son altitude avec précision. Crédits : Engine House VFX, At-Bristol Science Centre, University of Exeter
WASP-121b, située à environ 900 années-lumière de la Terre, est une exoplanète géante gazeuse de la famille des planètes communément appelées « Jupiters chauds » (bien qu'elle soit plus grosse et plus massive que Jupiter). L'exoplanète tourne autour de son étoile hôte tous les 1,3 jour; elle est si proche de son étoile qu'elle ne pourrait être plus proche sans subir l'effet destructeur de la force de gravité de son étoile. Cette proximité signifie également que le haut de l'atmosphère est chauffée à blanc à près de 2 500 degrés Celsius - une température où le fer passe de l'état solide à l’état gazeux. La Figure 1 montre une vue d'artiste de l'étoile et de sa planète.
Dans la stratosphère de la Terre, la deuxième couche de l'atmosphère située en moyenne entre 10 et 50 km au-dessus du sol, l'ozone piège le rayonnement ultraviolet du Soleil, ce qui augmente la température de cette couche avec l’altitude (alors que dans la couche inférieure, la température diminue avec l'altitude). Ces processus produisent une stratification en température tout en assurant la stabilité de cette couche, qui est presque exempte de nuages et de turbulences. La stratosphère est par conséquent une région idéale pour le transport aérien sur de longues distances.
D'autres corps du système solaire ont également des stratosphères, c'est-à-dire une couche de l'atmosphère où la température augmente avec l'altitude: par exemple, le méthane est responsable du chauffage dans les stratosphères de Jupiter, ainsi que de Titan, une lune de Saturne. Dans les planètes du système solaire, l’augmentation de température dans une stratosphère est généralement d'environ quelques dizaines de degrés Celsius. Cependant, dans la stratosphère de WASP-121b, la montée en température est élevée, de l’ordre de 1000 degrés. Les chercheurs et chercheuses ne savent pas encore qu’elle est la cause de ce chauffage extrême. Les observations à venir qui seront obtenues à d'autres longueurs d'ondes devraient permettre de mieux comprendre ce phénomène. Les gaz d'oxyde de vanadium et d'oxyde de titane sont des sources de chauffage possibles, car ils absorbent fortement la lumière des étoiles aux longueurs d'onde visibles, de façon semblable à l'absorption de l'ozone par le rayonnement ultraviolet autour de la Terre. On s'attend à ce que ces composés soient présents dans les plus chauds des « Jupiters chauds », tels que WASP-121b, car des températures très élevées sont nécessaires pour maintenir ces oxydes à l'état gazeux.
En utilisant le télescope spatial Hubble de la NASA, une équipe internationale de chercheuses et chercheurs, dirigée par Tom Evans, chercheur à l'Université d'Exeter (Royaume-Uni), a observé des molécules d'eau luminescente dans l'atmosphère de l'exoplanète WASP-121b, ce qui implique que la planète est entourée d'une stratosphère notable. Pour étudier cette stratosphère, les membres de l'équipe ont utilisé la spectroscopie en analysant comment la luminosité de la planète change à différentes longueurs d'ondes de la lumière. Selon sa température, la vapeur d'eau se trouvant dans l'atmosphère de la planète se comporte de manière prévisible en réponse à certaines longueurs d'onde de lumière. À des températures plutôt basses, la vapeur d'eau bloque la lumière émise à des altitudes inférieures. Mais à des températures plus élevées, les molécules d'eau brillent. Si l’eau est probablement présente dans toute l’atmosphère de la planète, c’est l’existence de la stratosphère, avec son inversion de la variation de température vers des valeurs élevées, qui rend l’eau luminescente.
Figure 2: Spectre de WASP-121b (dont l’atmosphère a une stratosphère) obtenu avec le télescope spatial Hubble en lumière infrarouge entre 1,1 et 1,6 micron de longueur d'onde en rouge, comparé à un modèle de naine brune (qui n'a pas de stratosphère) en violet). Pour la naine brune, la signature de l'eau apparaît comme une absorption (dépression du signal entre 1,35 et 1,6 micron), tandis que pour WASP-121b, l'eau émet une lumière infrarouge qui s'ajoute au champ de rayonnement d'arrière-plan, ce qui explique les bosses dans le spectre.Crédits : NASA, ESA, et A. Feild (STSci)
Le phénomène est similaire à ce qui se passe avec les feux d'artifice, qui tirent leurs couleurs des produits chimiques émettant de la lumière. Lorsque les substances métalliques sont chauffées et vaporisées, leurs électrons se déplacent vers des états d'énergie plus élevés. Selon le matériau, ces électrons émettent de la lumière à des longueurs d'ondes spécifiques à mesure qu'ils perdent de l'énergie : dans ce processus, par exemple, le sodium produit du jaune-orange et le strontium du rouge. De manière similaire, les molécules d'eau dans l'atmosphère de WASP-121b dégagent des rayonnements lorsqu'ils perdent de l'énergie, mais c'est sous la forme d'une lumière infrarouge, que l'œil humain est incapable de détecter. L'émission infrarouge par l'eau de WASP-121b est représentée dans la Figure 2 comme un excès de lumière, en particulier par rapport à celle d'un naine brune[1] pour laquelle la signature de l'eau apparaît comme une absorption de la lumière émise par l'objet.
Des recherches antérieures effectuées durant la dernière décennie ont révélé des preuves possibles de l’existence de stratosphères autour d'autres exoplanètes, mais c'est la première fois que des molécules d'eau luminescentes ont été détectées. C'est l'un des premiers résultats marquants obtenu par le nouveau programme d'observations dirigé par le Prof. David Sing de l'Université d'Exeter (ancien post-doctorant à l'IAP) et Mercedes Lopez-Morales du Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics (Etats-Unis), et conduit par une équipe internationale comprenant des chercheurs français. 800 heures d'observation ont été accordées au programme pour étudier et comparer 20 exoplanètes différentes, constituant l'un des plus grands programmes sur l'ensemble des 27 ans d'histoire du télescope spatial Hubble.
Parmi les exoplanètes chaudes étudiées, WASP-121b peut être utilisée comme une référence pour les modèles atmosphériques des exoplanètes. Ceux-ci suggèrent que les stratosphères peuvent définir une classe spéciale d'exoplanètes ultra chaudes, avec des implications importantes pour la physique et la chimie atmosphériques. WASP-121b illustre également la grande diversité entre les différentes planètes qui peuvent être observées. La comparaison avec d'autres exoplanètes chaudes devrait donner des indices sur la manière dont les planètes se comportent dans des conditions différentes. Grâce au prochain télescope spatial James Webb de la NASA, les chercheurs et chercheuses seront en mesure d'observer les atmosphères des planètes comme WASP-121b avec une sensibilité encore plus élevée qu'avec le télescope spatial Hubble.
[1] Une naine brune est une étoile qui n’est pas suffisamment massive pour démarrer la fusion thermonucléaire de l’hydrogène (mais dont la masse est plus de 13 fois celle de Jupiter).Liens
Lettre dans la revue Nature (en anglais) : http://www.nature.com/nature/journal/v548/n7665/full/nature23266.html Communiqué de presse de l'Université d'Exeter (en anglais) : http://www.exeter.ac.uk/news/research/title_598443_en.htmlRédaction et contacts
- Lotfi Ben Jaffel
Institut d’astrophysique de Paris, CNRS, UPMC
lotfi [point] ben_jaffel [à] iap [point] fr
- Alain Lecavelier des Étangs
Institut d’astrophysique de Paris, CNRS, UPMC
alain [point] lecavelier [à] iap [point] fr
Mise en page : Jean Mouette
Août 2017