Webb de la NASA fait allusion à une possible atmosphère atmosphérique

Les chercheurs utilisant le télescope spatial James Webb de la NASA ont peut-être détecté des gaz atmosphériques entourant 55 Cancri e, une exoplanète rocheuse chaude située à 41 années-lumière de la Terre. Il s’agit à ce jour de la meilleure preuve de l’existence d’une atmosphère de planète rocheuse en dehors de notre système solaire.

Renyu Hu du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA à Pasadena, en Californie, est l’auteur principal d’un article publié aujourd’hui dans Nature. “Webb repousse les frontières de la caractérisation des exoplanètes jusqu’aux planètes rocheuses”, a déclaré Hu. «Cela permet véritablement un nouveau type de science.»

Super-Hot Super-Earth 55 Cancri e

55 Cancri e (image ci-dessous, détails/téléchargement), également connue sous le nom de Janssen, est l’une des cinq planètes connues en orbite autour de l’étoile semblable au Soleil 55 Cancri, dans la constellation du Cancer. Avec un diamètre presque deux fois supérieur à celui de la Terre et une densité légèrement supérieure, la planète est classée comme une super-Terre : plus grande que la Terre, plus petite que Neptune et probablement de composition similaire à celle des planètes rocheuses de notre système solaire.

Décrire 55 Cancri e comme « rocheux » pourrait cependant laisser une fausse impression. La planète orbite si près de son étoile (environ 1,4 million de miles, soit un vingt-cinquième de la distance entre Mercure et le Soleil) que sa surface est probablement en fusion – un océan bouillonnant de magma. Avec une orbite aussi étroite, la planète est également susceptible d’être verrouillée par les marées, avec un côté jour faisant face à l’étoile à tout moment et un côté nuit dans l’obscurité perpétuelle.

Malgré de nombreuses observations depuis sa découverte en transit en 2011, la question de savoir si 55 Cancri e possède ou non une atmosphère – voire même pourrait en avoir un étant donné sa température élevée et l’assaut continu du rayonnement stellaire et du vent de son étoile – est resté sans réponse.

“Je travaille sur cette planète depuis plus d’une décennie”, a déclaré Diana Dragomir, chercheuse sur les exoplanètes à l’Université du Nouveau-Mexique et co-auteur de l’étude. « Il est vraiment frustrant qu’aucune des observations que nous avons obtenues n’ait résolu ces mystères de manière solide. Je suis ravi que nous obtenions enfin des réponses ! »

Contrairement aux atmosphères des planètes géantes gazeuses, qui sont relativement faciles à repérer (la première a été détectée par le télescope spatial Hubble de la NASA il y a plus de deux décennies), les atmosphères plus fines et plus denses entourant les planètes rocheuses sont restées insaisissables.

Des études antérieures de 55 Cancri e utilisant les données du télescope spatial Spitzer de la NASA, aujourd’hui à la retraite, suggéraient la présence d’une atmosphère importante riche en substances volatiles (molécules présentes sous forme gazeuse sur Terre) comme l’oxygène, l’azote et le dioxyde de carbone. Mais les chercheurs n’ont pas pu exclure une autre possibilité : que la planète soit nue, réservée à un mince voile de roche vaporisée, riche en éléments comme le silicium, le fer, l’aluminium et le calcium. “La planète est si chaude qu’une partie de la roche en fusion devrait s’évaporer”, a expliqué Hu.

Mesurer les variations subtiles des couleurs infrarouges

Pour faire la distinction entre les deux possibilités, l’équipe a utilisé la NIRCam (Near-Infrared Camera) et le MIRI (Mid-Infrared Instrument) de Webb pour mesurer la lumière infrarouge de 4 à 12 microns provenant de la planète.

Bien que Webb ne puisse pas capturer une image directe de 55 Cancri e, il peut mesurer les changements subtils de la lumière du système lorsque la planète tourne autour de l’étoile.

En soustrayant la luminosité lors de l’éclipse secondaire (image ci-dessous, détails/téléchargement), lorsque la planète est derrière l’étoile (lumière des étoiles uniquement), de la luminosité lorsque la planète est juste à côté de l’étoile (lumière de l’étoile et de la planète combinées), l’équipe a pu calculer la quantité de différentes longueurs d’onde de lumière infrarouge provenant du côté jour de la planète.

Cette méthode, connue sous le nom de spectroscopie d’éclipse secondaire, est similaire à celle utilisée par d’autres équipes de recherche pour rechercher les atmosphères d’autres exoplanètes rocheuses, comme TRAPPIST-1 b.

Plus frais que prévu

La première indication que 55 Cancri e pourrait avoir une atmosphère substantielle est venue de mesures de température basées sur son émission thermique (image ci-dessous, détails/téléchargement), ou sur l’énergie thermique dégagée sous forme de lumière infrarouge. Si la planète est recouverte de roches en fusion sombres avec un mince voile de roche vaporisée ou sans atmosphère du tout, la température du côté jour devrait être d’environ 4 000 degrés Fahrenheit (~ 2 200 degrés Celsius).

“Au lieu de cela, les données MIRI ont montré une température relativement basse d’environ 2 800 degrés Fahrenheit. [~1540 degrees Celsius]”, a déclaré Hu. “C’est une indication très forte que l’énergie est distribuée du côté jour vers le côté nuit, très probablement par une atmosphère riche en volatilité.” Bien que les courants de lave puissent transporter une certaine chaleur vers la nuit, ils ne peuvent pas la déplacer suffisamment efficacement pour expliquer l’effet de refroidissement.

Lorsque l’équipe a examiné les données du NIRCam, elle a constaté des tendances cohérentes avec une atmosphère riche en volatilité. “Nous constatons une baisse du spectre entre 4 et 5 microns – moins de cette lumière atteint le télescope”, a expliqué le co-auteur Aaron Bello-Arufe, également du NASA JPL. “Cela suggère la présence d’une atmosphère contenant du monoxyde de carbone ou du dioxyde de carbone, qui absorbent ces longueurs d’onde de lumière.” Une planète sans atmosphère ou avec une atmosphère constituée uniquement de roches vaporisées n’aurait pas cette particularité spectrale.

“Nous avons passé les dix dernières années à modéliser différents scénarios, en essayant d’imaginer à quoi pourrait ressembler ce monde”, a déclaré la co-auteure Yamila Miguel de l’Observatoire de Leiden et de l’Institut néerlandais de recherche spatiale (SRON). « Avoir enfin une confirmation de notre travail n’a pas de prix ! »

Océan de magma bouillonnant

L’équipe pense que les gaz recouvrant 55 Cancri e bouillonneraient depuis l’intérieur, plutôt que d’être présents depuis la formation de la planète. “L’atmosphère primaire aurait disparu depuis longtemps en raison de la température élevée et du rayonnement intense de l’étoile”, a déclaré Bello-Arufe. « Il s’agirait d’une atmosphère secondaire continuellement reconstituée par l’océan magmatique. Le magma n’est pas seulement constitué de cristaux et de roches liquides ; il contient aussi beaucoup de gaz dissous.

Bien que 55 Cancri e soit beaucoup trop chaud pour être habitable, les chercheurs pensent qu’il pourrait fournir une fenêtre unique pour étudier les interactions entre les atmosphères, les surfaces et l’intérieur des planètes rocheuses, et peut-être fournir un aperçu des premières conditions de la Terre, de Vénus et de Mars. dont on pense qu’ils ont été recouverts d’océans magmatiques dans le passé. “En fin de compte, nous voulons comprendre quelles conditions permettent à une planète rocheuse de maintenir une atmosphère riche en gaz : un ingrédient clé pour une planète habitable”, a déclaré Hu.

Cette recherche a été menée dans le cadre du programme d’observateurs généraux (GO) de Webb en 1952. L’analyse d’observations d’éclipses secondaires supplémentaires de 55 Cancri e est actuellement en cours.

Le télescope spatial James Webb est le premier observatoire scientifique spatial au monde. Webb résout les mystères de notre système solaire, regarde au-delà des mondes lointains autour d’autres étoiles et sonde les structures et origines mystérieuses de notre univers et la place que nous y occupons. Webb est un programme international dirigé par la NASA avec ses partenaires, l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’Agence spatiale canadienne.