Une équipe internationale de chercheurs a étudié l’exoplanète brûlante WASP-76 b à l’aide de l’instrument MAROON-X du télescope Gemini-North. L’équipe a réussi à identifier 11 éléments chimiques dans l’atmosphère de la planète, fournissant ainsi des informations cruciales sur la formation et la composition des planètes géantes. La planète, qui est 12 fois plus proche de son étoile que Mercure ne l’est du Soleil, atteint des températures extrêmes qui entraînent la vaporisation dans la haute atmosphère d’éléments formant des roches, comme le magnésium et le fer.
Une étude a identifié 11 éléments chimiques dans l’atmosphère de l’exoplanète extrêmement chaude WASP-76 b. Les résultats suggèrent que la composition globale de la planète reflète celle du disque protoplanétaire à partir duquel elle s’est formée, et que ses températures élevées provoquent la vaporisation d’éléments formant des roches dans l’atmosphère. Il est intéressant de noter que l’équipe a également constaté l’absence de certains éléments nécessitant des températures plus élevées pour se vaporiser, ce qui laisse supposer que WASP-76 b pourrait avoir avalé de la matière provenant d’une planète semblable à Mercure.
Une équipe internationale dirigée par Stefan Pelletier, doctorant à l’Institut Trottier de recherche sur les exoplanètes de l’Université de Montréal, a récemment annoncé avoir réalisé une étude détaillée de l’exoplanète géante extrêmement chaude WASP-76 b.
En utilisant l’instrument MAROON-X du télescope Gemini-Nord, l’équipe a pu identifier et mesurer l’abondance de 11 éléments chimiques dans l’atmosphère de la planète.
Il s’agit notamment d’éléments formant des roches dont l’abondance n’est même pas connue pour les planètes géantes du système solaire telles que Jupiter ou Saturne. L’étude de l’équipe est publiée dans la revue Nature.
« 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’exoplanète géante WASP-76 b, représentée ici, est un monde extrêmement chaud qui orbite très près de son étoile géante. Crédit : Observatoire international Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine/M. Zamani
Sommaire
Un monde grand, chaud et étrange
WASP-76 b est un monde étrange. Il atteint des températures extrêmes parce qu’il est très proche de son étoile mère, une étoile massive située à 634 années-lumière dans la constellation des Poissons : environ 12 fois plus proche que Mercure ne l’est du Soleil. Avec une masse similaire à celle de Jupiter, mais presque six fois plus grande en volume, elle est assez « gonflée ».
Depuis sa découverte par le programme Wide Angle Search for Planets (WASP) en 2013, de nombreuses équipes l’ont étudiée et ont identifié divers éléments dans son atmosphère. Notamment, dans une étude également publiée dans Nature en mars 2020, une équipe a trouvé une signature de fer et a émis l’hypothèse qu’il pourrait y avoir une pluie de fer sur la planète.
Conscient de ces études, Pelletier s’est motivé pour obtenir de nouvelles observations indépendantes de WASP-76 b en utilisant le spectrographe optique à haute résolution MAROON-X sur le télescope Gemini-North de 8 mètres à Hawaï, qui fait partie de l’Observatoire international Gemini, exploité par le NOIRLab de la NSF.
« Nous avons reconnu que le nouveau et puissant spectrographe MAROON-X nous permettrait d’étudier la composition chimique de WASP-76 b avec un niveau de détail sans précédent pour une planète géante « , explique Björn Benneke, professeur d’astronomie à l’UdeM, co-auteur de l’étude et directeur de recherche au doctorat de Stefan Pelletier.
Le télescope Gemini-Nord, que l’on voit ici, a été utilisé par Stefan Pelletier et ses collègues pour évaluer la composition atmosphérique de l’exoplanète ultra-chaude WASP-76 b. Crédit : International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/P. Horálek (Institut de physique d’Opava)
Une composition similaire à celle du Soleil
Dans le Soleil, l’abondance de presque tous les éléments du tableau périodique est connue avec une grande précision. Dans les planètes géantes de notre système solaire, en revanche, ce n’est le cas que pour une poignée d’éléments, dont la composition reste mal connue. Cette situation a entravé la compréhension des mécanismes qui régissent la formation de ces planètes.
En raison de sa proximité avec son étoile, WASP-76 b a une température bien supérieure à 2000°C. À cette température, de nombreux éléments qui formeraient normalement des roches sur Terre (comme le magnésium et le fer) sont vaporisés et présents sous forme gazeuse dans la haute atmosphère. L’étude de cette planète particulière permet d’obtenir des informations sans précédent sur la présence et l’abondance d’éléments formant des roches dans les planètes géantes. En effet, dans les planètes géantes plus froides comme Jupiter, ces éléments sont plus bas dans l’atmosphère et impossibles à détecter.
L’abondance de nombreux éléments mesurés par Pelletier et son équipe dans l’atmosphère de l’exoplanète – tels que le manganèse, le chrome, le magnésium, le vanadium, le baryum et le calcium – correspond de très près à celle de son étoile hôte ainsi qu’à celle de notre propre Soleil.
Ces abondances ne sont pas aléatoires : elles sont le produit direct du Big Bang, suivi de milliards d’années de nucléosynthèse stellaire, de sorte que les scientifiques mesurent à peu près la même composition dans toutes les étoiles. Elle est cependant différente de la composition des planètes rocheuses comme la Terre, dont la formation est plus complexe.
Les résultats de cette nouvelle étude indiquent que les planètes géantes pourraient conserver une composition globale reflétant celle du disque protoplanétaire à partir duquel elles se sont formées.
L’appauvrissement des autres éléments est très intéressant
Cependant, d’autres éléments ont été appauvris dans la planète par rapport à l’étoile – un résultat que Pelletier a trouvé particulièrement intéressant.
« Les éléments qui semblent manquer dans l’atmosphère de WASP-76 b sont précisément ceux qui nécessitent des températures plus élevées pour se vaporiser, comme le titane et l’aluminium », a-t-il déclaré. « En revanche, ceux qui correspondent à nos prévisions, comme le manganèse, le vanadium ou le calcium, se vaporisent tous à des températures légèrement inférieures.
L’interprétation de l’équipe de chercheurs est que la composition observée de la haute atmosphère des planètes géantes peut être extrêmement sensible à la température. Selon la température de condensation d’un élément, celui-ci sera sous forme gazeuse et présent dans la partie supérieure de l’atmosphère, ou se condensera sous forme liquide et s’enfoncera dans les couches plus profondes. Lorsqu’il est sous forme gazeuse, il joue un rôle important dans l’absorption de la lumière et peut être observé par les astronomes. Lorsqu’elle est condensée, elle ne peut pas être détectée par les astronomes et devient complètement absente de leurs observations.
« Si elle est confirmée, cette découverte signifierait que deux exoplanètes géantes ayant des températures légèrement différentes l’une de l’autre pourraient avoir des atmosphères très différentes », a déclaré M. Pelletier. « C’est un peu comme deux pots d’eau, l’un à -1°C qui est gelé, et l’autre à +1°C qui est liquide. Par exemple, on observe du calcium sur WASP-76 b, mais il n’y en a peut-être pas sur une planète un peu plus froide ».
Première détection de l’oxyde de vanadium
Une autre découverte intéressante de l’équipe de Pelletier est la détection d’une molécule appelée oxyde de vanadium. C’est la première fois que cette molécule est détectée sans ambiguïté sur une exoplanète. Cette découverte est d’un grand intérêt pour les astronomes car ils savent qu’elle peut avoir un impact important sur les planètes géantes chaudes.
« Cette molécule joue un rôle similaire à celui de l’ozone dans l’atmosphère terrestre : elle est extrêmement efficace pour réchauffer la haute atmosphère », explique M. Pelletier. « Cela entraîne une augmentation des températures en fonction de l’altitude, au lieu d’une diminution comme c’est généralement le cas sur les planètes plus froides.
Un élément, le nickel, est nettement plus abondant dans l’atmosphère de l’exoplanète que ce à quoi les astronomes s’attendaient. Plusieurs hypothèses peuvent expliquer cela, l’une d’entre elles étant que WASP-76 b pourrait avoir accrété de la matière provenant d’une planète similaire à Mercure. Dans notre système solaire, la petite planète rocheuse est enrichie en métaux comme le nickel en raison de son mode de formation.
L’équipe de Pelletier a également constaté que l’asymétrie d’absorption du fer entre les hémisphères est et ouest de WASP-76 b, signalée dans des études antérieures, est également présente pour de nombreux autres éléments. Cela signifie que le phénomène sous-jacent à l’origine de cette asymétrie est probablement un processus global tel qu’une différence de température ou la présence de nuages d’un côté de la planète et pas de l’autre, plutôt que le résultat d’une condensation sous forme liquide comme cela avait été suggéré précédemment.
Confirmer et exploiter les enseignements tirés
Pelletier et son équipe sont très désireux d’en apprendre davantage sur cette exoplanète et sur d’autres planètes géantes ultra-chaudes, en partie pour confirmer leur hypothèse concernant les atmosphères très différentes qui pourraient prévaloir sur des planètes dont la température diffère légèrement.
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.
« 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 », a déclaré M. Benneke. « De même, les mesures d’éléments plus lourds tels que le calcium ou le magnésium sur WASP-76 b permettront de mieux comprendre la formation des planètes gazeuses.
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
Outre Pelletier et Björn Benneke, l’équipe comprend également : Luc Bazinet et Olivia Lim, deux étudiants diplômés de l’Institut Trottier de recherche sur les exoplanètes (iREx) de l’Université de Montréal ; Mohamad Ali-Dib, ancien boursier postdoctoral Trottier à l’iREx, aujourd’hui à l’Université de New York à Abu Dhabi ; et 13 autres coauteurs du Canada, des Émirats arabes unis, de Suède, de France, du Royaume-Uni, des États-Unis, d’Italie, des Pays-Bas et d’Allemagne.