Des signes de CO2 sur une planète au-delà de notre Système solaire

Montrant à quel point il peut être précis, le télescope spatial James Webb détecte la première signature définitive de dioxyde de carbone dans l’atmosphère d’une exoplanète.

Dans une démonstration remarquable de sa précision et de son exactitude, le télescope spatial James Webb (JWST), une collaboration entre la NASA, l’Agence spatiale européenne et l’Agence spatiale canadienne, a capturé des preuves définitives de la présence de dioxyde de carbone dans l’atmosphère d’une planète géante gazeuse en orbite autour d’une étoile semblable au Soleil située à 700 années-lumière.

Le résultat, qui paraîtra prochainement dans Nature, fournit des informations importantes sur la composition et la formation de l’exoplanète et témoigne de la capacité de Webb à détecter et à mesurer le dioxyde de carbone dans les atmosphères plus minces des petites planètes rocheuses. Et au-delà de ça, une meilleure compréhension de ces exoplanètes pourrait permettre de trouver des mondes susceptibles d’abriter une vie extraterrestre.

L’équipe qui a fait cette découverte a obtenu du temps sur le télescope dans le cadre d’un programme Early Release Science, qui a été choisi pour recueillir certaines des premières données du Webb après le début de ses opérations scientifiques à la fin juin.

Dirigée par Natalie Batalha de l’Université de Californie Santa Cruz, l’équipe comprend des astronomes du monde entier, dont Björn Benneke de l’Université de Montréal, qui est également membre de l’Institut de recherche sur les exoplanètes (iREx).

La cible du programme d’observation, WASP-39 b, est une planète géante gazeuse chaude dont la masse représente environ un quart de celle de Jupiter (à peu près la même que Saturne) et dont le diamètre est 1,3 fois supérieur à celui de Jupiter. Sa bouffissure extrême est liée en partie à sa température élevée (environ 900°C). Contrairement aux géantes gazeuses plus froides et plus compactes de notre système solaire, WASP-39 b orbite très près de son étoile – à peine un huitième de la distance entre le Soleil et Mercure – et effectue une orbite en un peu plus de quatre jours terrestres. La découverte de la planète, signalée en 2011, a été faite sur la base de détections au sol de l’atténuation subtile et périodique de la lumière de son étoile hôte lorsque la planète transite, ou passe, devant l’étoile.

Lors d’un transit, une partie de la lumière de l’étoile est complètement bloquée par la planète (ce qui provoque l’atténuation globale) et une autre partie traverse l’atmosphère de la planète. Comme les différents gaz absorbent différentes combinaisons de couleurs, les chercheurs peuvent analyser les petites différences de luminosité de la lumière transmise à travers des longueurs d’onde différentes pour déterminer exactement de quoi est faite une atmosphère.

Avec sa combinaison d’une atmosphère gonflée et de transits fréquents, WASP-39 b est une cible idéale pour la spectroscopie de transmission. L’équipe a utilisé le spectrographe dans le proche infrarouge de Webb (NIRSpec) pour effectuer cette détection.

Première détection claire de CO₂

Un spectre de transmission de l’exoplanète géante gazeuse chaude WASP-39 b capturé par le spectrographe dans le proche infrarouge (NIRSpec) de Webb le 10 juillet 2022, révèle la première preuve définitive de la présence de dioxyde de carbone sur une planète en dehors du système solaire. (Crédit: NASA/ESA/CSA/L. Hustak/J. Olmsted/STScI)

Ce que l’équipe de découverte a vu était extrêmement impressionnant. Un signal significatif – une raie d’absorption – a été détecté à des longueurs d’onde comprises entre 4,1 et 4,6 microns dans l’infrarouge. Il s’agit de la première preuve claire, détaillée et indiscutable de la présence de dioxyde de carbone jamais détectée sur une planète extérieure au système solaire.

« J’étais absolument époustouflé, a déclaré M. Benneke, professeur de physique à l’UdeM et membre de l’équipe chargée des exoplanètes en transit, qui a travaillé à la conception du programme d’observation et à l’analyse des données NIRSpec avec les étudiants de cycles supérieurs de l’UdeM Louis-Philippe Coulombe, Caroline Piaulet, Michael Radica et Pierre-Alexis Roy ainsi que le chercheur postdoctoral Jake Taylor.

« Nous avons analysé les données ici à Montréal et nous avons vu cette énorme signature du dioxyde de carbone : 26 fois plus forte que tout bruit dans les données. Avant le JWST, nous devions souvent creuser à travers le bruit, mais ici nous avions une signature parfaitement robuste. C’est comme voir quelque chose clairement de ses propres yeux. »

Björn Benneke, professeur à l’Université de Montréal et à l’iREx, est un membre clé de l’équipe qui a découvert la première signature définitive de dioxyde de carbone dans l’atmosphère d’une exoplanète. (Crédit : A. Philibert/UdeM)

Aucun observatoire n’a jamais mesuré auparavant des différences aussi subtiles dans la luminosité d’autant de couleurs infrarouges individuelles dans le spectre de transmission d’une exoplanète. L’accès à cette partie du spectre, de 3 à 5,5 microns, est crucial pour mesurer les abondances de gaz comme l’eau et le méthane, ainsi que le dioxyde de carbone, que l’on pense exister dans de nombreux types d’exoplanètes.

« La détection d’un signal aussi clair de dioxyde de carbone sur WASP-39 est de bon augure pour la détection d’atmosphères sur des planètes plus petites, de taille terrestre », a déclaré Batalha, la chercheuse principale du programme.

« Sur Terre, a ajouté M. Benneke, le dioxyde de carbone joue un rôle tellement important pour notre climat, et nous sommes habitués à voir ses signatures spectroscopiques ici. Maintenant, nous voyons cette signature sur un monde lointain. Cela fait vraiment passer le message que ces exoplanètes sont des mondes réels : aussi réels que la Terre et les planètes de notre système solaire. »

Le télescope spatial James Webb est l’observatoire scientifique spatial le plus important au monde. Webb résoudra les mystères de notre système solaire, regardera au-delà des mondes lointains autour d’autres étoiles et sondera les structures et les origines mystérieuses de notre univers et notre place dans celui-ci. Webb est un programme international mené par la NASA avec ses partenaires, l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’Agence spatiale canadienne.

À propos de cette étude

L’étude “Identification of carbon dioxide in an exoplanet atmosphere,” par l’équipe scientifique du JWST Transiting Exoplanet Community Early Release, a été publiée en ligne sur arXiv aujourd’hui et sera publiée le 2 septembre 2022 dans Nature.

Pour en savoir plus

Contact scientifique

Björn Benneke
Professeur
Institut de recherche sur les exoplanètes, Université de Montréal
Courriel: bjorn.benneke@umontreal.ca
Tel: 514-578-2716

Contact média

Nathalie Ouellette
Scientifique chargée des communications sur le télescope Webb au Canada
Institut de recherche sur les exoplanètes, Université de Montréal
Courriel: nathalie.ouellette.2@umontreal.ca
Tél: 613-531-1762