Le télescope Webb détecte une atmosphère épaisse autour d’un monde de lave brûlante

Les observations de l’exoplanète ultra-chaude TOI-561 b fournissent la preuve la plus solide à ce jour de l’existence d’une atmosphère sur une planète rocheuse en dehors de notre Système solaire.

Des chercheurs utilisant le télescope spatial James Webb ont détecté la preuve la plus solide à ce jour de l’existence d’une atmosphère sur une planète rocheuse en dehors de notre Système solaire. Les observations de la super-Terre ultra-chaude TOI-561 b suggèrent que l’exoplanète est entourée d’une épaisse couche de gaz au-dessus d’un océan de magma global. Ces résultats permettent d’expliquer la densité inhabituellement faible de la planète et remettent en question l’idée reçue selon laquelle les planètes relativement petites et proches de leur étoile ne peuvent pas conserver d’atmosphère.

Avec un rayon environ 1,4 fois supérieur à celui de la Terre et une période orbitale inférieure à 11 heures, TOI-561 b appartient à une catégorie rare d’objets appelés exoplanètes à période ultra-courte. Bien que son étoile hôte soit légèrement plus petite et plus froide que le Soleil, TOI-561 b orbite si près de l’étoile (à moins de 1.6 millions de kilomètres, soit un quarantième de la distance entre Mercure et le Soleil) qu’elle doit être en rotation synchrone, la température de sa face diurne permanente dépassant largement la température de fusion d’une roche typique.

« Ce qui distingue vraiment cette planète, c’est sa densité anormalement faible », a déclaré Johanna Teske, scientifique au Carnegie Science Earth and Planets Laboratory et auteure principale d’un article publié jeudi dans The Astrophysical Journal Letters. « Elle n’est pas super gonflée, mais elle est moins dense que ce à quoi on pourrait s’attendre si elle avait une composition similaire à celle de la Terre. »

Représentation artistique du monde de lave TOI-561 b et de son étoile hôte. (Crédit : NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford, STScI)

Une explication envisagée par l’équipe pour expliquer la faible densité de la planète était qu’elle pourrait avoir un noyau en fer relativement petit et un manteau composé de roche moins dense que celle de la Terre. Teske note que cela pourrait avoir du sens : « TOI-561 b se distingue des autres planètes à période ultra-courte en ce qu’elle orbite autour d’une étoile très ancienne (deux fois plus vieille que le Soleil) et pauvre en fer, dans une région de la Voie lactée connue sous le nom de disque épais. Elle doit s’être formée dans un environnement chimique très différent de celui des planètes de notre propre Système solaire. » La composition de la planète pourrait être représentative des planètes qui se sont formées lorsque l’univers était relativement jeune.

Mais une composition exotique ne peut pas tout expliquer. L’équipe a également soupçonné que TOI-561 b pourrait être entourée d’une atmosphère épaisse qui la fait paraître plus grande qu’elle ne l’est en réalité. Bien que les petites planètes qui ont passé des milliards d’années à cuire sous le rayonnement stellaire ardent ne soient pas censées avoir d’atmosphère, certaines montrent des signes indiquant qu’elles ne sont pas seulement constituées de roche nue ou de lave.

Pour tester l’hypothèse selon laquelle TOI-561 b possède une atmosphère, l’équipe a utilisé le spectrographe NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) de Webb pour mesurer la température diurne de la planète en se basant sur sa luminosité dans le proche infrarouge. Cette technique, qui consiste à mesurer la diminution de la luminosité du système étoile-planète lorsque la planète passe derrière l’étoile, est similaire à celle utilisée pour rechercher des atmosphères dans le système TRAPPIST-1 et sur d’autres mondes rocheux.

Si TOI-561 b est une planète rocheuse dépourvue d’atmosphère capable de transporter la chaleur vers la face nocturne, la température de sa face diurne devrait avoisiner les 2 700 degrés Celsius. Mais les observations de l’instrument NIRSpec montrent que la température de la face diurne de la planète semble être plus proche de 1 800 degrés Celsius, ce qui reste extrêmement chaud, mais bien moins que prévu.

Pour expliquer ces résultats, l’équipe a envisagé plusieurs scénarios différents. L’océan de magma pourrait faire circuler une partie de la chaleur, mais sans atmosphère, la face nocturne serait probablement solide, limitant ainsi le flux de chaleur provenant de la face diurne. Une fine couche de vapeur rocheuse à la surface de l’océan de magma est également possible, mais elle aurait probablement un effet refroidissant bien moindre que celui observé.

Figure représentant le spectre d’émission de l’exoplanète TOI-561 b de l’instrument NIRSpec. Les points blancs indiquent les données d’observation réelles. Les lignes colorées représentent les spectres de différents scénarios atmosphériques : blanc pour une atmosphère inexistante, violet pour une atmosphère mince composée de vapeur rocheuse et orange pour une atmosphère épaisse riche en composés volatils. Ce dernier scénario correspond le mieux aux données d’observation. (Crédit : NASA/ESA/CSA/STScI)

« Nous avons vraiment besoin d’une atmosphère épaisse et riche en éléments volatils pour expliquer toutes les observations », a déclaré Anjali Piette, coauteure de l’étude, de l’Université de Birmingham, au Royaume-Uni. « Des vents forts refroidiraient la face diurne en transportant la chaleur vers la face nocturne. Des gaz tels que la vapeur d’eau absorberaient certaines longueurs d’onde de la lumière infrarouge proche émise par la surface avant qu’elles ne traversent complètement l’atmosphère. (La planète semblerait plus froide car le télescope détecterait moins de lumière.) Il est également possible qu’il existe des nuages de silicate brillants qui refroidissent l’atmosphère en réfléchissant la lumière des étoiles. »

Si les observations du télescope Webb fournissent des preuves convaincantes de l’existence d’une telle atmosphère, une question demeure : comment une petite planète exposée à un rayonnement aussi intense peut-elle conserver une atmosphère, qui est en plus aussi dense ? Certains gaz doivent s’échapper dans l’espace, mais peut-être pas aussi efficacement que prévu.

« Nous pensons qu’il existe un équilibre entre l’océan de magma et l’atmosphère. Au moment même où les gaz s’échappent de la planète pour alimenter l’atmosphère, l’océan de magma les aspire à nouveau vers l’intérieur », explique Tim Lichtenberg, coauteur de l’étude, de l’Université de Groningue aux Pays-Bas. « Cette planète doit être beaucoup plus riche en éléments volatils que la Terre pour expliquer les observations. Elle ressemble vraiment à une boule de lave humide. »

Il s’agit des premiers résultats du programme d’observation général 3860 de Webb, qui a consisté à observer le système en continu pendant plus de 37 heures, tandis que TOI-561 b effectuait près de quatre orbites complètes autour de l’étoile. L’équipe analyse actuellement l’ensemble des données afin de cartographier la température autour de la planète et de déterminer la composition de son atmosphère.

Des chercheurs canadiens ont joué un rôle clé dans l’interprétation des observations surprenantes de Webb pour TOI-561 b. La professeure Lisa Dang (Université de Waterloo), auparavant chercheuse postdoctorale à l’UdeM et à l’IREx, a contribué à la conception du projet, réalisé une analyse indépendante des données et replacé TOI-561 b dans un contexte plus large sur la manière dont les planètes rocheuses acquièrent, perdent et recyclent leurs atmosphères.

Lisa Dang, professeure à l’Université de Waterloo et ancienne chercheuse postdoctorale à l’IREx, est co-auteure de l’étude.

Samuel Boucher, étudiant de premier cycle à l’UdeM et stagiaire d’été du professeur Dang, est également co-auteur de l’étude.

« Au cours de la dernière année, il y a eu un grand intérêt pour les mécanismes qui entraînent l’échappement atmosphérique », explique Dang. « Ce qui est passionnant ici, c’est que les planètes de lave nous rappellent que l’intérieur d’une planète est tout aussi important. Dans le cas de TOI-561 b, il est fascinant de voir des indices qu’une planète rocheuse pourrait séquestrer autant de volatils dans son manteau, et que Webb puisse désormais révéler ces processus géologiques profonds. »

Son travail a été complété par celui de Samuel Boucher, étudiant au baccalauréat à l’UdeM et stagiaire d’été à l’IREx sous sa supervision, qui a réalisé une analyse indépendante de la courbe de phase complète. Sa contribution a permis de répondre à d’importantes questions soulevées lors de l’évaluation par les pairs et de renforcer la confiance envers les résultats basés sur les éclipses. Boucher et Dang mènent maintenant une étude de suivi utilisant l’ensemble du jeu de données de la courbe de phase afin de sonder le contraste de température entre les faces diurne et nocturne de la planète et d’affiner les contraintes sur son atmosphère.

Dang souligne également le contraste frappant entre ces résultats et la récente étude sur l’ultra-Jupiter chaude WASP-121 b, qu’elle a cosignée, et qui montre une perte atmosphérique extrême.

« Je suis vraiment impressionnée de voir qu’avec Webb, nous trouvons des indices à la fois d’une rétention atmosphérique extrême et d’une perte atmosphérique extrême », s’exclame Dang. « Ensemble, ces découvertes transforment notre compréhension des mécanismes qui favorisent l’échappement ou la préservation des atmosphères des exoplanètes.

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

Communiqué de presse rédigé par Margaret W. Carruthers (STScI) et Hannah Braun (STScI), adapté par Nathalie Ouellette (IREx).

Pour plus d’informations

• Article scientifique dans The Astrophysical Journal Letters
• Article scientifique sur arXiv
• Communiqué de presse de la NASA
• Communiqué de presse sur WASP-121 b

Contact scientifique

Lisa Dang
Professeure
Université de Waterloo
lisa.dang@uwaterloo.ca

Contact médias

Nathalie Ouellette
Scientifique chargée des communications pour le JWST
Université de Montréal
nathalie@astro.umontreal.ca