Des nuages d’enstatite dans l’atmosphère d’une exoplanète

Des chercheurs du MIT ont développé une méthode prometteuse pour évaluer la composition et la dynamique de l’atmosphère d’exoplanètes géantes.

Même si notre atmosphère est difficile à appréhender dans sa complexité, les astronomes qui s’intéressent à celles qui enveloppent d’autres planètes ne sont pas rares. Depuis la première exoplanète découverte il y a 20 ans (1 894 confirmées actuellement), les chercheurs ont franchi plusieurs étapes significatives dans la caractérisation de ces autres mondes et sont en mesure à présent de pouvoir étudier les éventuelles formations nuageuses de quelques cas.

Kerri Cahoy, professeure adjointe en aéronautique et en astronautique au MIT qui a dirigé une équipe de chercheurs du département des sciences planétaires, de la Terre et de l’atmosphère (EAPS), également à l’Institut de technologie du Massachusetts (MIT), est une pionnière dans ce domaine pour ses travaux sur Kepler-7b, une « Jupiter chaude » connue pour arborer des nuages lumineux. Dans un article publié dans the Astrophysical Journal, ils présentent une technique prometteuse qui permettrait de traduire les différentes propriétés des atmosphères des planètes extrasolaires, qu’elles soient grosses ou plus petites… comme la nôtre.

Le satellite Kepler, à qui l’on doit déjà plus de 1 019 exoplanètes confirmées (et pas moins de 4 178 candidates, le 5 mars 2015), est un acteur essentiel dans cette quête qui associe les modèles informatiques. En attendant le lancement de TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), le télescope spatial qui, dans en premier temps, a épié quelque 145 000 étoiles à dessein de débusquer des planètes en transit (en passant devant leur étoile, les planètes font légèrement baisser la luminosité de l’astre-parent), a repris du service il y a 10 mois — une reconversion réussie suite à quelques péripéties — pour une nouvelle campagne nommée Kepler 2 (K2) laquelle s’annonce tout aussi fructueuse que la précédente.

Pour tenter de déterminer la composition et la structure de l’atmosphère d’une exoplanète, les scientifiques se sont concentrés sur Kepler-7b, une géante gazeuse (0,4 fois la masse de Jupiter) qui gravite très près de son étoile sur une orbite synchrone (à l’instar de la Lune avec la Terre) en 4,8 jours seulement. La température de l’hémisphère orienté vers son soleil avoisine 1 400 °C. En comparant la luminosité (dans plusieurs longueurs d’onde) des nuages détectés à sa surface avec les différents modèles de températures et de pressions qu’ils ont élaborés, l’équipe a pu estimer le profil atmosphérique de la « Jupiter chaude ». Une démarche que le jeune chercheur Matthew Webber résume en ces termes : « nous avons utilisé ces modèles atmosphériques pour déterminer comment la lumière pourrait être réfléchie par l’atmosphère de la planète (selon chaque type de nuages) et nous avons essayé de faire correspondre ces possibilités avec les actuelles observations de la mission Kepler. Pour cela, nous avons fait tourner une grande série de modèles (plus de 1 000), pour voir lequel d’entre eux est statistiquement le mieux adapté aux observations ».

Kepler-7b comparée à Jupiter
Bien que 1,5 fois plus grande que notre Jupiter, Kepler-7b ne fait que 0,4 fois sa masse. En orbite synchrone de 4,8 jours autour de son étoile-hôte très proche, la « Jupiter-chaude » arbore des nuages détectés avec le satellite Kepler, sur une moitié de sa surface

Pour l’équipe, il apparait que la partie la plus chaude de la planète, qui regarde continuellement son étoile, présente des nuages composés essentiellement de silicates et de magnésium à l’état de vapeur. L’enstatite qui est courant à la surface de notre monde est transformé par les températures élevées qui règnent sur Kepler-7b, en vapeurs propulsées dans son atmosphère. De petits nuages de particules se forment en se refroidissant et se condensant. « Leurs modèles indiquent que les nuages de cette planète sont plus susceptibles d’être formés à partir de roches liquides », note Heather Knutson, professeure adjointe en sciences planétaires à Caltech (Institut de technologie de Californie) qui n’a pas participé à cette étude. « Cela peut paraître exotique, continue t-elle, mais cette planète est une géante gazeuse grillée gravitant très près de son étoile-hôte et nous pouvions nous attendre que cela puisse avoir l’air différent de notre Jupiter ».

Les observations sont en accord avec les modèles. Cela ouvre un champ immense de possibilités pour la caractérisation des atmosphères d’autres planètes. Leurs nuages sont une fenêtre sur la nature physique de ces mondes et sur leur habitabilité relative à leurs compositions, distributions et réflectivité.

« Nous avons donc regardé des planètes géantes pour l’instant parce qu’elle nous donne un signal fort, explique Nikole Lewis, postdoc à l’EAPS, mais la même méthodologie pourrait être appliquée à des planètes plus petites pour nous aider à déterminer si elles sont habitables ou pas ».

Crédit photo : NASA/Jose-Luis Olivares/MIT.

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