Le télescope spatial James Webb de la NASA a découvert que l’exoplanète TRAPPIST-1 c, bien qu’elle ait la même taille que Vénus et qu’elle reçoive un rayonnement similaire, ne possède pas d’épaisse atmosphère de dioxyde de carbone, ce qui la rend peu susceptible d’être un analogue de Vénus. La planète, dont la température mesurée est la plus froide pour une exoplanète rocheuse, pourrait s’être formée avec une teneur minimale en eau. Elle n’a pas d’atmosphère ou n’en possède qu’une très fine. Des recherches supplémentaires permettront d’étudier les variations de température sur la planète et de poursuivre l’étude des conditions atmosphériques potentielles.
Sommaire
Les mesures infrarouges de TRAPPIST-1 c indiquent qu’elle n’est probablement pas aussi semblable à Vénus qu’on l’imaginait.
Le télescope spatial James Webb de la NASA a réussi à mesurer la chaleur émise par TRAPPIST-1 c, une exoplanète en orbite autour d’une naine rouge située à 40 années-lumière de la Terre. Avec une température diurne d’environ 225 degrés Fahrenheit, il s’agit de la planète rocheuse la plus froide jamais caractérisée à l’aide de cette méthode.
Malheureusement, pour ceux qui espèrent que le système TRAPPIST-1 est un véritable analogue du nôtre, les résultats sont un peu décevants. Bien que TRAPPIST-1 c ait à peu près la même taille et la même masse que Vénus et qu’elle reçoive la même quantité de rayonnement de son étoile, il est peu probable qu’elle ait la même épaisse atmosphère de dioxyde de carbone. Cela indique que la planète, et peut-être le système dans son ensemble, s’est peut-être formée avec très peu d’eau. Ce résultat est le dernier en date dans la quête visant à déterminer si les atmosphères planétaires peuvent survivre à l’environnement violent d’une naine rouge.
Ce concept d’artiste montre à quoi pourrait ressembler l’exoplanète rocheuse TRAPPIST-1 c d’après ces travaux. TRAPPIST-1 c, la deuxième des sept planètes connues du système TRAPPIST-1, tourne autour de son étoile à une distance de 0,016 UA (environ 1,5 million de miles), effectuant un tour en seulement 2,42 jours terrestres. TRAPPIST-1 c est légèrement plus grande que la Terre, mais a à peu près la même densité, ce qui indique qu’elle doit avoir une composition rocheuse. La mesure par Webb de la lumière infrarouge moyenne de 15 microns émise par TRAPPIST-1 c suggère que la planète possède soit une surface rocheuse nue, soit une très fine atmosphère de dioxyde de carbone.
En arrière-plan, on voit TRAPPIST-1 b, la planète la plus interne du système TRAPPIST-1. TRAPPIST-1 b est également rocheuse et ne semble pas avoir d’atmosphère substantielle.
L’étoile TRAPPIST-1 est une naine rouge ultrafroide (naine M) dont la température n’est que de 2 550 kelvins (environ 4 150 degrés Fahrenheit) et dont la masse n’est que de 0,09 fois celle du Soleil.
Cette illustration est basée sur les nouvelles données recueillies par l’instrument MIRI (Mid-Infrared Instrument) de la sonde Webb, ainsi que sur des observations antérieures réalisées par d’autres télescopes terrestres et spatiaux. Webb n’a pas capturé d’images de la planète.
Crédit : NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Sebastian Zieba (MPI-A), Laura Kreidberg (MPI-A)
Le télescope spatial Webb exclut une atmosphère épaisse de dioxyde de carbone pour une exoplanète rocheuse
Une équipe internationale de chercheurs a utilisé le télescope spatial James Webb de la NASA pour calculer la quantité d’énergie thermique provenant de l’exoplanète rocheuse TRAPPIST-1 c. Le résultat suggère que l’atmosphère de la planète – si elle existe – est extrêmement fine.
Avec une température diurne d’environ 380 kelvins (environ 225 degrés Fahrenheit), TRAPPIST-1 c est désormais l’exoplanète rocheuse la plus froide jamais caractérisée sur la base de l’émission thermique. La précision nécessaire à ces mesures démontre une fois de plus l’utilité de Webb dans la caractérisation d’exoplanètes rocheuses similaires en taille et en température à celles de notre propre système solaire.
Ce résultat marque une nouvelle étape dans la détermination des planètes en orbite autour de petites naines rouges comme TRAPPIST-1 – le type d’étoile le plus répandu dans la galaxie – qui peuvent entretenir les atmosphères nécessaires à la vie telle que nous la connaissons.
Cette courbe de lumière montre le changement de luminosité du système TRAPPIST-1 lorsque la deuxième planète, TRAPPIST-1 c, se déplace derrière l’étoile. Ce phénomène est connu sous le nom d’éclipse secondaire.
Les astronomes ont utilisé l’instrument MIRI (Mid-Infrared Instrument) de Webb pour mesurer la luminosité de la lumière infrarouge moyenne. Lorsque la planète est à côté de l’étoile, la lumière émise à la fois par l’étoile et par le côté jour de la planète atteint le télescope, et le système apparaît plus lumineux. Lorsque la planète est derrière l’étoile, la lumière émise par la planète est bloquée et seule la lumière de l’étoile atteint le télescope, ce qui entraîne une diminution de la luminosité apparente.
Les astronomes peuvent soustraire la luminosité de l’étoile de la luminosité combinée de l’étoile et de la planète pour calculer la quantité de lumière infrarouge provenant du côté jour de la planète. Cette quantité est ensuite utilisée pour calculer la température du côté jour et en déduire la présence et la composition éventuelle de l’atmosphère.
Le graphique montre les données combinées de quatre observations distinctes réalisées à l’aide du filtre F1500W de MIRI, qui ne laisse passer vers les détecteurs que la lumière dont les longueurs d’onde sont comprises entre 13,5 et 16,7 microns. Les carrés bleus sont des mesures individuelles de luminosité. Les cercles rouges montrent les mesures « binées » ou moyennées pour faciliter l’observation des changements au fil du temps. La ligne blanche représente le meilleur ajustement, c’est-à-dire la courbe lumineuse modèle qui correspond le mieux aux données. La diminution de la luminosité pendant l’éclipse secondaire est inférieure à 0,05 %.
La température calculée à partir de cette observation est de 380 +/- 31 kelvins (entre 170 et 280 degrés Fahrenheit). TRAPPIST-1 c est l’exoplanète rocheuse la plus froide jamais observée par photométrie à éclipse secondaire.
Crédit : NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Sebastian Zieba (MPI-A), Laura Kreidberg (MPI-A)
« Nous voulons savoir si les planètes rocheuses ont une atmosphère ou non », a déclaré Sebastian Zieba, étudiant diplômé à l’Institut Max Planck d’astronomie en Allemagne et premier auteur des résultats publiés le 19 juin dans la revue Nature. « Par le passé, nous ne pouvions vraiment étudier que les planètes dotées d’une atmosphère épaisse et riche en hydrogène. Avec Webb, nous pouvons enfin commencer à rechercher des atmosphères dominées par l’oxygène, l’azote et le dioxyde de carbone. »
« TRAPPIST-1 c est intéressante parce qu’elle est en quelque sorte une jumelle de Vénus : elle a à peu près la même taille que Vénus et reçoit de son étoile hôte une quantité de rayonnement similaire à celle que Vénus reçoit du Soleil », explique Laura Kreidberg, coauteur de l’étude, également de Max Planck. « Nous avons pensé qu’elle pourrait avoir une épaisse atmosphère de dioxyde de carbone comme Vénus.
TRAPPIST-1 c est l’une des sept planètes rocheuses en orbite autour d’une étoile naine rouge ultrafroide (ou naine M) située à 40 années-lumière de la Terre. Bien que ces planètes soient similaires en taille et en masse aux planètes rocheuses internes de notre propre système solaire, il n’est pas certain qu’elles aient des atmosphères similaires. Au cours des premiers milliards d’années de leur vie, les naines M émettent des rayons X et ultraviolets brillants qui peuvent facilement décaper une jeune atmosphère planétaire. En outre, il est possible qu’il n’y ait pas eu suffisamment d’eau, de dioxyde de carbone et d’autres substances volatiles pour former des atmosphères substantielles lorsque les planètes se sont formées.
Ce graphique compare la luminosité mesurée de TRAPPIST-1 c aux données de luminosité simulées pour trois scénarios différents. La mesure (diamant rouge) est cohérente avec une surface rocheuse nue sans atmosphère (ligne verte) ou une atmosphère très fine de dioxyde de carbone sans nuages (ligne bleue). Une atmosphère épaisse riche en dioxyde de carbone avec des nuages d’acide sulfurique, similaire à celle de Vénus (ligne jaune), est peu probable.
L’axe des y du graphique indique la luminosité (également appelée intensité ou flux) de la lumière en termes de profondeur d’éclipse, qui est la différence entre la luminosité combinée de l’étoile et de la planète (lorsque la planète est à côté de l’étoile) et la luminosité de l’étoile seule (lorsque la planète est derrière l’étoile). La luminosité augmente de bas en haut sur le graphique : Plus la profondeur de l’éclipse est importante, plus la lumière de la planète est brillante. L’axe des x indique la longueur d’onde (ou la couleur) de la lumière mesurée. Toutes les longueurs d’onde représentées ici se situent dans l’infrarouge, qui est invisible pour les yeux humains.
La luminosité de la lumière émise par la planète varie en fonction de la longueur d’onde : Certaines couleurs sont plus lumineuses que d’autres. Le schéma de luminosité (le spectre) dépend de facteurs tels que le type de roche qui compose la surface, la composition de l’atmosphère et la présence ou non de nuages. Des matériaux différents absorbent et émettent des quantités différentes de différentes longueurs d’onde de la lumière.
Le losange rouge montre la luminosité de TRAPPIST-1 c, mesurée à l’aide du filtre F1500W de MIRI (Webb’s Mid-Infrared Instrument). Les lignes verticales au-dessus et au-dessous du losange sont des barres d’erreur. La largeur de la boîte bleue couvre la gamme de longueurs d’onde mesurées à l’aide du filtre F1500W de MIRI, qui permet à la lumière d’une longueur d’onde comprise entre 13,5 et 16,7 microns de passer à travers les détecteurs.
La ligne bleue montre à quoi ressemblerait le spectre d’émission du côté jour de la planète, en supposant qu’elle possède une atmosphère d’oxygène avec 0,01 % de dioxyde de carbone, une pression de surface de 0,1 bar et qu’elle n’a pas de nuages. (À titre de référence, cette atmosphère est beaucoup plus fine que celle de la Terre, qui est riche en azote et en oxygène, avec 0,04 % de dioxyde de carbone et une pression de surface de 1 bar).
La ligne verte montre ce que serait le spectre d’émission du côté jour de la planète si elle n’avait pas d’atmosphère et une surface rocheuse composée de roches ultramafiques. (Les roches ultramafiques sont des roches ignées un peu plus riches en fer et en magnésium et plus pauvres en silice que le basalte, qui constitue la croûte sous les océans de la Terre).
La ligne orange montre le spectre d’émission du côté jour de la planète si elle avait une atmosphère plus proche de celle de Vénus, avec 96,5 % de dioxyde de carbone, une pression de surface de 10 bars et des nuages d’acide sulfurique.
Crédit : NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Sebastian Zieba (MPI-A), Laura Kreidberg (MPI-A)
Pour répondre à ces questions, l’équipe a utilisé MIRI (l’instrument infrarouge moyen de Webb) pour observer le système TRAPPIST-1 à quatre reprises lorsque la planète se déplaçait derrière l’étoile, un phénomène connu sous le nom d’éclipse secondaire. En comparant la luminosité lorsque la planète est derrière l’étoile (lumière de l’étoile uniquement) à la luminosité lorsque la planète est à côté de l’étoile (lumière de l’étoile et de la planète combinées), l’équipe a pu calculer la quantité de lumière infrarouge moyen d’une longueur d’onde de 15 microns émise par le côté jour de la planète.
Cette méthode est la même que celle utilisée par une autre équipe de chercheurs pour déterminer que TRAPPIST-1 b, la planète la plus interne du système, est probablement dépourvue d’atmosphère.
La quantité de lumière infrarouge moyenne émise par une planète est directement liée à sa température, qui est elle-même influencée par l’atmosphère. Le dioxyde de carbone absorbe de préférence la lumière de 15 microns, ce qui fait que la planète apparaît moins lumineuse à cette longueur d’onde. Toutefois, les nuages peuvent réfléchir la lumière, ce qui rend la planète plus lumineuse et masque la présence de dioxyde de carbone.
En outre, une atmosphère substantielle, quelle que soit sa composition, redistribue la chaleur du côté jour vers le côté nuit, ce qui fait que la température du côté jour est plus basse qu’elle ne le serait sans atmosphère. (TRAPPIST-1 c orbite si près de son étoile – environ 1/50e de la distance entre Vénus et le Soleil – que l’on pense qu’elle est verrouillée par la marée, avec un côté dans la lumière du jour perpétuelle et l’autre dans l’obscurité sans fin).
Bien que ces premières mesures ne fournissent pas d’informations définitives sur la nature de TRAPPIST-1 c, elles permettent de limiter les possibilités. « Nos résultats sont cohérents avec le fait que la planète soit un rocher nu sans atmosphère, ou qu’elle ait une atmosphère de CO2 très fine (plus fine que celle de la Terre ou même de Mars) sans nuages », a déclaré M. Zieba. « Si la planète avait une atmosphère de CO2 épaisse, nous aurions observé une éclipse secondaire très peu profonde, voire aucune. En effet, le CO2 aurait absorbé toute la lumière de 15 microns, de sorte que nous n’en aurions détecté aucune en provenance de la planète. »
Les données montrent également qu’il est peu probable que la planète soit un véritable analogue de Vénus avec une épaisse atmosphère de CO2 et des nuages d’acide sulfurique.
L’absence d’une atmosphère épaisse suggère que la planète pourrait s’être formée avec relativement peu d’eau. Si les planètes TRAPPIST-1, plus froides et plus tempérées, se sont formées dans des conditions similaires, il est possible qu’elles aient commencé avec peu d’eau et d’autres composants nécessaires pour rendre une planète habitable.
La sensibilité requise pour distinguer les différents scénarios atmosphériques sur une planète aussi petite et aussi lointaine est vraiment remarquable. La diminution de luminosité détectée par Webb lors de l’éclipse secondaire n’était que de 0,04 %, ce qui équivaut à regarder un écran de 10 000 petites ampoules et à remarquer que seules quatre d’entre elles se sont éteintes.
« Il est extraordinaire que nous puissions mesurer cela », a déclaré Kreidberg. « Depuis des décennies, on se demande si les planètes rocheuses peuvent conserver une atmosphère. La capacité de Webb nous fait entrer dans un régime où nous pouvons commencer à comparer les systèmes d’exoplanètes à notre système solaire comme nous ne l’avons jamais fait auparavant.
Cette recherche a été menée dans le cadre du programme 2304 des observateurs généraux (GO) de Webb, qui est l’un des huit programmes de la première année scientifique de Webb conçus pour aider à caractériser pleinement le système TRAPPIST-1. L’année prochaine, les chercheurs mèneront une étude complémentaire pour observer les orbites complètes de TRAPPIST-1 b et TRAPPIST-1 c. Cela permettra de voir comment les températures changent entre le côté jour et le côté nuit des deux planètes et fournira des contraintes supplémentaires pour savoir si elles ont une atmosphère ou non.
Référence : « No thick carbon dioxide atmosphere on the rocky exoplanet TRAPPIST-1 c » par Sebastian Zieba, Laura Kreidberg, Elsa Ducrot, Michaël Gillon, Caroline Morley, Laura Schaefer, Patrick Tamburo, Daniel D. B. Koll, Xintong Lyu, Lorena Acuña, Eric Agol, Aishwarya R. Iyer, Renyu Hu, Andrew P. Lincowski, Victoria S. Meadows, Franck Selsis, Emeline Bolmont, Avi M. Mandell et Gabrielle Suissa, le 19 juin 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06232-z
Le télescope spatial James Webb est le premier observatoire scientifique spatial au monde. Webb résoudra les mystères de notre système solaire, regardera au-delà vers des mondes lointains autour d’autres étoiles, et sondera les structures mystérieuses et les origines de notre univers et de la place que nous y occupons. Webb est un programme international dirigé par la NASA et ses partenaires, l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’ASC (Agence spatiale canadienne). L’instrument MIRI a été conçu et construit par un consortium d’instituts européens financés au niveau national (le consortium européen MIRI) et par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, en partenariat avec l’université de l’Arizona.