Le télescope spatial James Webb de la NASA a détecté la signature de l’eau, ainsi que des preuves de la présence de nuages et de brume, dans l’atmosphère d’une planète géante gazeuse chaude et bouffie qui orbite au loin autour d’une étoile semblable au Soleil.
L’étude, qui identifie la présence de certaines molécules de gaz sur la base d’infimes baisses de luminosité de certaines teintes de lumière, est la plus détaillée de ce type à ce jour et démontre la capacité inégalée du télescope Webb à étudier des atmosphères distantes de centaines d’années-lumière.
Alors que le télescope spatial Hubble a analysé de nombreuses atmosphères d’exoplanètes au cours des deux dernières décennies, capturant la première détection claire d’eau en 2013, l’observation immédiate et plus détaillée de Webb représente une avancée significative dans la quête de caractérisation des planètes potentiellement habitables au-delà de la Terre.
WASP-96 b est l’une des plus de 5 000 planètes extrasolaires identifiées dans la Voie lactée. Elle est située à environ 1 150 années-lumière dans la constellation du Phénix dans le ciel austral et représente une forme de géante gazeuse qui n’a pas d’équivalent direct dans notre système solaire.
WASP-96 b a une masse inférieure à la moitié de celle de Jupiter et un diamètre 1,2 fois plus grand que toute autre planète en orbite autour de notre Soleil. Et avec des températures supérieures à 1 000°F, elle est considérablement plus chaude. WASP-96 b tourne autour de son étoile semblable au Soleil de manière incroyablement proche, à seulement un neuvième de la distance entre Mercure et le Soleil, et effectue un circuit tous les 312 jours terrestres.
WASP-96 b est une cible appropriée pour les études atmosphériques en raison de sa taille massive, de sa courte période orbitale, de son atmosphère dense et de l’absence de contamination lumineuse par les objets environnants.
Le 21 juin, le NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) à bord du télescope spatial James Webb a mesuré la lumière du système WASP-96 pendant 6,4 heures, alors que la planète croisait l’étoile. Le résultat est une courbe de lumière décrivant l’atténuation globale de la lumière de l’étoile pendant le transit, ainsi qu’un spectre de transmission affichant le changement de luminosité de longueurs d’onde infrarouges distinctes entre 0,6 et 2,8 microns.
Le spectre de transmission montre des éléments nouvellement inconnus de l’atmosphère, y compris la signature indubitable de l’eau, des signes de brume et des preuves de nuages qui étaient auparavant considérés comme inexistants sur la base d’observations antérieures.
Un spectre de transmission est créé en comparant la lumière des étoiles filtrée par l’atmosphère d’une planète lorsqu’elle traverse une étoile à la lumière des étoiles non filtrée observée lorsque la planète se trouve à proximité de l’étoile.
Sur la base du modèle d’absorption – les emplacements et les hauteurs des pics du graphique – les chercheurs peuvent détecter et analyser les abondances des gaz essentiels dans l’atmosphère d’une planète. Tout comme les humains ont des empreintes digitales et des séquences d’ADN uniques, les atomes et les molécules absorbent la lumière selon des modèles qui leur sont propres.
Le spectre de WASP-96 b capturé par NIRISS est non seulement le spectre de transmission dans le proche infrarouge le plus détaillé de l’atmosphère d’une exoplanète capturé à ce jour, mais il couvre également une gamme remarquable de longueurs d’onde, y compris la lumière rouge visible et une partie du spectre à laquelle les autres télescopes n’ont pas pu accéder (longueurs d’onde supérieures à 1,6 micron).
Cette partie du spectre est particulièrement sensible à l’eau et à d’autres substances chimiques importantes comme l’oxygène, le méthane et le monoxyde de carbone, qui ne sont pas immédiatement visibles dans le spectre de WASP-96 b, mais qui devraient être observables sur d’autres exoplanètes visées par les recherches de Webb.
En utilisant le spectre, les scientifiques seront en mesure de quantifier la quantité de vapeur d’eau dans l’atmosphère, de restreindre l’abondance de divers éléments tels que le carbone et l’oxygène, et d’estimer la température de l’atmosphère en fonction de la profondeur.
Ils pourront ensuite utiliser ces données pour tirer des conclusions sur la composition globale de la planète, ainsi que sur la manière, le moment et le lieu de sa formation. La ligne bleue sur le graphique est le modèle le mieux ajusté, qui prend en compte les données, les caractéristiques connues de WASP-96 b et de son étoile hôte (par exemple, la taille, la masse et la température), et les propriétés atmosphériques supposées.
L’excellente clarté et la précision de ces mesures sont rendues possibles par la conception avant-gardiste de Webb. Son miroir de 270 pieds carrés recouvert d’or recueille efficacement la lumière infrarouge.
Ses spectrographes précis dispersent la lumière en centaines de couleurs de l’arc-en-ciel infrarouge. Et ses détecteurs infrarouges sensibles détectent des variations incroyablement infimes de la luminance. NIRISS peut détecter des changements de couleur aussi petits qu’un millième de micron (la différence entre le vert et le jaune est d’environ 50 microns) et des différences de luminosité aussi petites que plusieurs centaines de parties par million.
En outre, l’extraordinaire stabilité de Webb et son placement orbital près du point de Lagrange 2, à environ un million de kilomètres des effets polluants de l’atmosphère terrestre, permettent une vue ininterrompue et des données qui peuvent être examinées très rapidement.
Le spectre incroyablement précis, qui a été créé en analysant simultanément 280 spectres distincts acquis au cours de l’observation, donne un aperçu de ce que Webb a prévu pour l’exploration des exoplanètes.
L’année prochaine, les scientifiques utiliseront la spectroscopie pour étudier les surfaces et les atmosphères de dizaines d’exoplanètes, allant des petites planètes rocheuses aux géantes riches en gaz et en glace. Près d’un quart du temps d’observation du cycle 1 de Webb est consacré à la recherche d’exoplanètes et de leurs éléments constitutifs.
Cette image NIRISS illustre la capacité de Webb à analyser avec précision les atmosphères des exoplanètes, y compris les planètes potentiellement habitables.
