Des astronomes ont découvert de multiples éléments formant des roches vaporisées dans l’atmosphère de WASP-76b, une exoplanète chaude de la taille de Jupiter, offrant ainsi de nouvelles perspectives sur la formation des planètes. Les éléments détectés, dont la première détection non ambiguë d’oxyde de vanadium, suggèrent que les géantes gazeuses pourraient se former de manière similaire à la formation d’étoiles plutôt que par l’accumulation progressive de poussières et de roches. Ces découvertes pourraient révolutionner notre compréhension de la formation des géantes gazeuses de notre propre système solaire.
La chimie de ce que l’on appelle le « Jupiter chaud » apporte de nouvelles informations sur la formation de notre système solaire.
Des astronomes utilisant le télescope Gemini Nord, une moitié de l’Observatoire international Gemini exploité par le NOIRLab de la NSF, ont détecté plusieurs éléments formant des roches dans l’atmosphère d’une exoplanète de la taille de Jupiter, WASP-76b. La planète est si dangereusement proche de son étoile hôte que des éléments formant des roches – tels que le magnésium, le calcium et le nickel – sont vaporisés et dispersés dans son atmosphère brûlante. Ce profil chimique intrigant offre de nouvelles perspectives sur la formation des systèmes planétaires, y compris le nôtre.
WASP-76b est un monde étrange. Située à 634 années-lumière de la Terre, dans la direction de la constellation des Poissons, cette exoplanète semblable à Jupiter orbite autour de son étoile hôte à une distance exceptionnellement proche – environ 12 fois plus proche que Mercure ne l’est du Soleil – ce qui chauffe son atmosphère jusqu’à 2000°C. Ces températures extrêmes ont « gonflé » la planète, augmentant son volume à près de six fois celui de Jupiter.
À ces températures extrêmes, des éléments minéraux et rocheux, qui resteraient autrement cachés dans l’atmosphère d’une planète géante gazeuse plus froide, peuvent se révéler.
En utilisant le télescope Gemini Nord, une moitié de l’Observatoire international Gemini exploité par le NOIRLab de la NSF, une équipe internationale d’astronomes a détecté 11 de ces éléments formant des roches dans l’atmosphère de WASP-76b. La présence et les quantités relatives de ces éléments peuvent fournir des informations essentielles sur le mode de formation des planètes gazeuses géantes, qui reste incertain, même dans notre propre système solaire. Les résultats sont publiés dans la revue Nature.
Cette impression d’artiste illustre comment les astronomes utilisant le télescope Gemini Nord, une moitié de l’Observatoire international Gemini exploité par le NOIRLab de la NSF, ont fait de multiples détections d’éléments formant des roches dans l’atmosphère d’une exoplanète de la taille de Jupiter, WASP-76b. Ce « Jupiter chaud » est dangereusement proche de son étoile hôte, qui chauffe l’atmosphère de la planète à des températures stupéfiantes et vaporise des éléments rocheux tels que le magnésium, le calcium et le fer, ce qui permet de comprendre comment notre propre système solaire s’est formé. Crédit : Observatoire international Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine/M. Zamani
Depuis sa découverte en 2013 dans le cadre du programme Wide Angle Search for Planets (WASP), de nombreux astronomes ont étudié l’énigmatique WASP-76b. Ces études ont permis d’identifier divers éléments présents dans l’atmosphère de l’exoplanète chaude. Notamment, dans une étude publiée en mars 2020, une équipe a conclu qu’il pourrait y avoir une pluie de fer sur la planète.
Conscient de ces études, Stefan Pelletier, doctorant à l’Institut Trottier de recherche sur les exoplanètes de l’Université de Montréal et auteur principal de l’article, a eu envie d’explorer les mystères de cette étrange exoplanète et la chimie de son atmosphère brûlante.
En 2020 et 2021, à l’aide de MAROON-X de Gemini Nord (un nouvel instrument spécialement conçu pour détecter et étudier les exoplanètes), Pelletier et son équipe ont observé la planète alors qu’elle passait devant son étoile hôte à trois reprises. Ces nouvelles observations ont permis de découvrir un certain nombre d’éléments formant des roches dans l’atmosphère de WASP-76b, notamment le sodium, le potassium, le lithium, le nickel, le manganèse, le chrome, le magnésium, le vanadium, le baryum, le calcium et, comme cela avait été détecté auparavant, le fer.
En raison des températures extrêmes de l’atmosphère de WASP-76b, les éléments détectés par les chercheurs, qui devraient normalement former des roches sur Terre, sont vaporisés et donc présents dans l’atmosphère sous forme gazeuse. Bien que ces éléments contribuent à la composition des géantes gazeuses de notre système solaire, ces planètes sont trop froides pour que les éléments se vaporisent dans l’atmosphère, ce qui les rend pratiquement indétectables.
« Il est vraiment rare qu’une exoplanète située à des centaines d’années-lumière nous apprenne quelque chose qu’il serait autrement impossible de savoir sur notre propre système solaire », a déclaré M. Pelletier. « C’est le cas de cette étude.
L’abondance d’un grand nombre de ces éléments correspond étroitement à celle que l’on trouve à la fois dans notre Soleil et dans l’étoile hôte de l’exoplanète. Il ne s’agit peut-être pas d’une coïncidence, mais d’une preuve supplémentaire que les planètes géantes gazeuses, comme Jupiter et Saturne, se forment d’une manière plus proche de la formation d’une étoile – coalescence à partir du gaz et de la poussière d’un disque protoplanétaire – que de l’accrétion et de la collision progressives de la poussière, des roches et des planétésimaux, qui forment ensuite des planètes rocheuses, comme Mercure, Vénus et la Terre.
Un autre résultat notable de l’étude est la première détection sans ambiguïté de l’oxyde de vanadium sur une exoplanète. « Cette molécule est d’un grand intérêt pour les astronomes car elle peut avoir un impact important sur la structure atmosphérique des planètes géantes chaudes », explique Pelletier. « Cette molécule joue un rôle similaire à celui de l’ozone, car elle est extrêmement efficace pour chauffer la haute atmosphère de la Terre.
Pelletier et son équipe sont motivés pour en apprendre davantage sur WASP-76b et d’autres planètes ultra-chaudes. Ils espèrent également que d’autres chercheurs tireront parti de ce qu’ils ont appris sur cette exoplanète géante et l’appliqueront pour améliorer notre compréhension des planètes de notre propre système solaire et de la façon dont elles sont apparues.
« Mis à la disposition des astronomes du monde entier, l’Observatoire international Gemini continue de fournir de nouvelles informations qui nous permettent de mieux comprendre la structure physique et chimique d’autres mondes. Grâce à ces programmes d’observation, nous nous faisons une idée plus précise de l’univers dans son ensemble et de la place que nous y occupons », a déclaré Martin Still, directeur du programme de l’Observatoire Gemini de la NSF.
« Des générations de chercheurs ont utilisé les abondances d’hydrogène et d’hélium mesurées sur Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune pour comparer les théories de formation des planètes gazeuses », explique Björn Benneke, professeur à l’Université de Montréal et co-auteur de l’étude. « De même, les mesures d’éléments plus lourds tels que le calcium ou le magnésium sur WASP-76b permettront de mieux comprendre la formation des planètes gazeuses. »
Pour en savoir plus sur cette étude :
Référence : « Vanadium oxide and a sharp onset of cold-trapping on a giant exoplanet » par Stefan Pelletier, Björn Benneke, Mohamad Ali-Dib, Bibiana Prinoth, David Kasper, Andreas Seifahrt, Jacob L. Bean, Florian Debras, Baptiste Klein, Luc Bazinet, H. Jens Hoeijmakers, Aurora Y. Kesseli, Olivia Lim, Andres Carmona, Lorenzo Pino, Núria Casasayas-Barris, Thea Hood et Julian Stürmer, 14 juin 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06134-0