Du métal vaporisé dans l’air d’une exoplanète

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La haute atmosphère de l’exoplanète WASP est chauffée à une température de

La haute atmosphère de l’exoplanète WASP est chauffée à une température de 2 500 degrés Celsius, assez chaude pour vaporiser les métaux. © NASA, ESA, and G. Bacon (STSci)

Une équipe internationale de chercheurs dirigée par le Pôle de recherche national PlanetS des Universités de Berne de Genève a étudié l’atmosphère de l’exoplanète ultra-chaude WASP-121b. Ils y ont trouvé un certain nombre de métaux gazeux. Les résultats constituent une nouvelle étape dans la recherche de mondes potentiellement habitables.

WASP-121b est une exoplanète située à 850 années-lumière de la Terre, qui tourne autour de son étoile en moins de deux jours, un processus qui prend un an à la Terre. WASP-121b est très proche de son étoile, soit environ 40 fois plus proche que ne l’est la Terre du Soleil. Cette proximité est également la principale raison de sa température extrêmement élevée, de l'ordre de 2 500 à 3 000 degrés Celsius. Cela en fait un objet d'étude idéal pour en savoir plus sur les mondes ultra chauds.

Les chercheurs dirigés par Jens Hoeijmakers, premier auteur de l'étude et chercheur postdoctoral au Pôle de recherche national PlanetS des Universités de Berne de Genève, ont examiné les données qui avaient été recueillies par le spectrographe à haute resolution HARPS. Ils ont pu montrer qu'au moins sept métaux gazeux sont présents dans l'atmosphère de WASP-121b. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue Astronomy & Astrophysics.

Bien des surprises dans l'atmosphère de l'exoplanète WASP-121b

’ Les nombreuses études précédentes ont montré qu'il y a beaucoup de choses qui se passent dans l’atmosphère de WASP-121b ’, explique Jens Hoeijmakers, et ce malgré le fait que les astronomes eurent supposé que les planètes ultra chaudes aient des atmosphères plutôt simples car peu de composés chimiques complexes peuvent se former dans une chaleur aussi torride. Alors comment WASP-121b en est-elle venue à avoir cette complexité inattendue ?

’ Des études antérieures ont tenté d'expliquer ces observations par des théories qui ne me semblaient guère plausibles ’, explique Jens Hoeijmakers. Les études avaient soupçonné que les molécules contenant le métal relativement rare qu'est le vanadium étaient la cause principale de l'atmosphère complexe de WASP-121b. Selon Jens Hoeijmakers, cela n'aurait de sens que si un métal plus commun, le titane, manquait dans l'atmosphère. Le scientifique et ses collègues ont donc cherché une autre explication. oeIl s'est cependant avéré qu'ils avaient raison ’, admet-il sans équivoque, ’ à ma grande surprise, nous avons en fait trouvé de fortes signatures de vanadium dans les observations. ’ Mais en même temps, il manquait du titane confirmant ainsi l'hypothèse de Jens Hoeijmakers.

Des métaux vaporisés

Mais l'équipe a fait d'autres découvertes inattendues. En plus du vanadium, ils ont découvert six autres métaux dans l'atmosphère de WASP-121b : le fer, le chrome, le calcium, le sodium, le magnésium et le nickel. ’ Tous les métaux se sont évaporés en raison des températures élevées qui règnent sur la WASP-121b ’, explique Jens Hoeijmakers, ’ ce qui garantit que l'air de l'exoplanète se compose entre autres de métaux vaporisés ’.

Une nouvelle ère dans la recherche sur les exoplanètes

Ces résultats détaillés permettent entre autre aux chercheurs de tirer des conclusions sur les processus chimiques qui se déroulent sur ces planètes. Ils offrent une expertise cruciale pour un avenir pas trop lointain, lorsque des télescopes et des spectrographes plus grands et plus sensibles seront mis au point. Ceux-ci permettront aux astronomes d'étudier les propriétés de planètes rocheuses plus petites et plus froides, semblables à la Terre. ’ Avec les mêmes techniques que celles que nous utilisons aujourd'hui, au lieu de se contenter de détecter les signatures du fer ou du vanadium gazeux, nous pourrons nous concentrer sur des biosignatures telles que celles de l'eau, de l'oxygène et du méthane ’, explique Jens Hoeijmakers.

Les connaissances approfondies sur l'atmosphère de WASP- 121b confirment non seulement le caractère ultra chaud de l'exoplanète, mais soulignent également le fait que ce domaine de recherche entre dans une nouvelle ère, comme le souligne Jens Hoeijmakers : ’ après des années de catalogage de ce qui existe, nous ne nous contentons plus de prendre des mesures ’, explique le chercheur, ’ mais nous commençons vraiment à comprendre ce que les données des instruments nous montrent. Comment les planètes se ressemblent et diffèrent les unes des autres. De la même façon, peut-être, que Charles Darwin a commencé à développer la théorie de l'évolution après avoir caractérisé d'innombrables espèces animales, nous commençons à mieux comprendre comment ces exoplanètes se sont formées et comment elles fonctionnent ’.

Indications sur la publication :

H. J. Hoeijmakers et al.: Hot Exoplanet Atmospheres Resolved with Transit Spectroscopy (HEARTS) - IV. A spectral inventory of atoms and molecules in the high-resolution transmission spectrum of WASP-121 b, Astronomy & Astrophysics, 18.09.2020 DOI doi.org/10.1051/0004­-6361/202038365

La recherche exoplanétaire avec HARPS

Le spectrographe HARPS est capable d'analyser la faible lumière provenant de planètes lointaines avec une très grande précision. Jens Hoeijmakers explique : ’ Les atomes dans l'atmosphère de l'exoplanète absorbent une partie de la lumière de l'étoile. Chaque atome a donc une empreinte pratiquement unique des couleurs qu'il absorbe ’. Ces empreintes spectrales peuvent être détectées avec un spectrographe sensible comme HARPS et la composition chimique de l'atmosphère de l'exoplanète peut en être déduite, même si elles se trouvent à de nombreuses années-lumière.

Le spectrographe HARPS a été développé sous la direction de l'Observatoire de Genève par un consortium qui comprenait également l'Observatoire de Haute-Provence, l'Institut de physique de l'Université de Berne et le Service d'Aéronomie, Paris.

Plus d’informations : www.unige.ch/science­s/astro/exoplanets/en/projects/harps

Recherche en astrophysique bernoise : parmi l’élite mondiale depuis le premier alunissage

Le 21 juillet 1969, Buzz Aldrin a été le deuxième homme à descendre du module lunaire, il a tout de suite déployé la voile à vent solaire bernoise et l'a plantée dans le sol lunaire, avant même le drapeau américain. Le Solar Wind Composition Experiment (SWC) planifié, construit et les résultats analysés par Johannes Geiss et son équipe à l’institut de physique de l’Université de Berne, a été le premier moment fort de l’histoire de la recherche en astrophysique bernoise.

Depuis, cette recherche fait partie de ce qui se fait de mieux au niveau mondial. Le bilan en chiffres est impressionnant : 25 fusées (1967-1993) et 9 montgolfières (1991-2008) ont emportés des instruments dans la haute atmosphère et ou l’ionosphère, plus de 30 instruments ont intégré des sondes spatiales et avec CHEOPS, l’Université de Berne partage la responsabilité de l’intégralité d’une mission avec l’ESA.

Le travail fructueux du département de recherche en astrophysique et planétologie (RAP) de l’Institut de physique de l’Université de Berne a été consolidé par la fondation d’un centre de compétences universitaire, le Center for Space and Habitability (CSH) . Le Fonds national suisse a en outre accordé à l’Université de Berne le financement du pôle de recherche national (PRN) PlanetS , qu’elle dirige avec l’Université de Genève.

Les exoplanètes à Genève : 25 ans d’expertise couronnés par un prix Nobel

CHEOPS apportera des informations cruciales sur la taille, la forme, la formation, l’évolution d’exoplanètes connues. L’installation du ’ Science Operation Center ’ de la mission CHEOPS à Genève et placé sous la supervision de deux professeurs du Département d’Astronomie de l’UNIGE , est une continuation logique de l’histoire de la recherche dans le domaine des exoplanètes puisque c’est ici que la première a été découverte en 1995 par Michel Mayor et Didier Queloz, lauréats du prix Nobel de physique 2019 . Cette découverte a permis au Département d’Astronomie de l’Université de Genève de se situer à la pointe de la recherche dans le domaine avec notamment la construction et l’installation de HARPS sur le télescope de 3.6m de l’ESO à La Silla en 2003, un spectrographe qui est resté pendant deux décennies le plus performant du monde pour déterminer la masse des exoplanètes. HARPS a cependant été surpassé cette année par ESPRESSO, un autre spectrographe construit à Genève et installé lui sur le VLT à Paranal.

CHEOPS est donc le résultat de deux expertises nationales, d’une part le savoir-faire spatial de l’Université de Berne avec la collaboration de son homologue genevoise et d’autre part l’expérience au sol de l’Université de Genève secondée par sa consoeur de la capitale. Deux compétences scientifiques et techniques qui ont également permis de créer le pôle de recherche national (PRN) PlanetS.