Entretiens scientifiques

Une « Neptune chaude » sous la loupe: entretien avec les professeurs Björn Benneke et Nicolas Cowan

Représentation artistique de LTT 9779 b qui transite devant son étoile. (Crédit: E. Schmidt)

LTT 9779 b est une exoplanète de la taille de Neptune, très proche de son étoile, découverte récemment grâce au télescope spatial TESS (pour Transiting Exoplanet Survey Satellite) de la NASA. Deux chercheurs de l’iREx, les professeurs Björn Benneke de l’Université de Montréal et Nicolas Cowan de l’Université McGill, ont contribué à deux études qui permettent d’en apprendre plus sur LTT 9779 b, grâce entre autres au désormais retraité télescope spatial Spitzer. Ils répondent à nos questions sur ces études et cette étonnante exoplanète.

Les professeurs Björn Benneke de l’Université de Montréal (gauche) et Nicolas Cowan de l’Université McGill (droite).

iREx: Avant les études auxquelles vous avez participé, que savions-nous sur cette planète?

Nicolas: Cette planète a été détectée très récemment. Sa découverte a été annoncée le mois dernier seulement! C’est grâce à la méthode du transit qu’on l’a repérée, c’est-à-dire en mesurant la diminution d’intensité d’une étoile qui se produit périodiquement quand une planète passe devant elle. Grâce à cela, on connaissait sa taille, soit environ 4,6 fois la taille de la Terre (vs 3,9 fois pour Neptune). Des observations supplémentaires au sol ont permis de confirmer son existence et de mesurer sa masse (29 fois la masse de la Terre), grâce à la méthode de vitesse radiale.

iREx: Pourquoi avoir choisi d’étudier cette exoplanète?

Björn: Les exoplanètes de taille similaire à Neptune comme LTT 9779 b sont très abondantes dans l’univers.

Ce qui la rend spéciale, c’est qu’elle fait le tour de son étoile en un peu moins d’un jour, car elle est très proche de celle-ci. On ne trouve pratiquement jamais de planète de cette taille aussi proche de leur étoile. On a nommé cette rareté le « désert des Neptunes chaudes ».

Comprendre l’atmosphère de cette planète est donc crucial pour déterminer ce qui lui permet d’exister, là où très peu de telles planètes se trouvent.

En combinant les observations de TESS avec d’autres provenant du télescope Spitzer de la NASA, qui opère dans un domaine de longueur d’onde où ces planètes sont plus brillantes (l’infrarouge), on peut étudier plus en détails son atmosphère.

iREx: Parlez-nous des observations que vous avez faites avec Spitzer.

Björn: Nous avons été en mesure d’observer l’éclipse secondaire de la planète dans l’infrarouge avec Spitzer. Lors d’une telle éclipse, la luminosité combinée de l’étoile et de la planète diminue parce que cette dernière passe derrière son étoile.

Cette vidéo montre l’éclipse secondaire de LTT 9779 b. Une éclipse secondaire se produit lorsqu’une planète passe derrière son étoile, ce qui entraîne une diminution de la luminosité totale reçue du système. (Crédit: I. Crossfield/E. Schmidt)

Nick: À mesure qu’une planète se déplace autour de son étoile, on voit alternativement son côté jour, éclairé par l’étoile, qui est chaud, et son côté nuit, qui n’est pas éclairé, et qui est donc plus froid. Pour LTT 9779 b, nous avons été en mesure d’étudier cette courbe de phase, c’est-à-dire l’augmentation puis la diminution de l’émission thermique de la planète tout au long de son orbite autour de son étoile.

Cette vidéo montre la courbe de phase de LTT 9779 b. On voit que la lumière du système varie à mesure que la planète se déplace autour de l’étoile. (Crédit: I. Crossfield/E. Schmidt)

Une courbe de phase permet de comprendre comment la planète absorbe la lumière de son étoile, et comment l’énergie qui est reçue est transportée d’un côté à l’autre grâce aux vents.

La majorité des quelques douzaines d’exoplanètes pour lesquelles on avait déjà mesuré des courbes de phase étaient plus massives : des géantes gazeuses, dont l’atmosphère est composée d’hydrogène et d’hélium.

iREx: Qu’est-ce que vos observations vous ont permis de découvrir?

Björn: D’abord, nous avons réussi à détecter la lumière émise par LTT 9779 b, ce qui est une première pour ce type de planète!

En comparant ces observations de l’éclipse secondaire avec des modèles théoriques, on a obtenu de l’information sur la composition de son atmosphère. On a notamment réussi à y détecter du monoxyde de carbone!

C’est en comparant les observations faites avec TESS et Spitzer (points noirs) à des modèles théoriques (en gris, rouge et bleu) qu’il est possible de conclure qu’il y a fort probablement du monoxyde de carbone dans l’atmosphère de LTT 9779 b. (Crédit: Dragomir et al. 2020)

Nick: Grâce aux courbes de phase, on a aussi découvert que la planète est plus froide qu’on aurait pu s’y attendre. C’est possiblement parce que le côté jour est couvert de nuages qui réfléchissent la plus grande partie de la lumière qui est reçue de l’étoile. On a aussi constaté que peu de chaleur est transportée du côté nuit, l’énergie étant probablement réfléchie dans l’espace avant d’avoir eu le temps de se déplacer.

Cette représentation artistique montre le côté jour de l’exoplanète LTT 9779 b, très chaud, et son côté nuit, un peu moins chaud. (Crédit: E. Schmidt)

iREx: Quelle est votre contribution à ce projet?

Björn: Avec mes collègues Diana Dragomir (Université du Nouveau-Mexique) et Ian Crossfield (Université du Kansas), nous avons demandé une grande quantité de temps d’observation (550h) pour utiliser le télescope spatial Spitzer avant qu’il n’arrête ses opérations afin d’étudier des planètes détectées par TESS. LTT 9779 b est la première exoplanète observée dans le cadre de ce programme.

Nick: Ce projet est le fruit d’une immense collaboration qui a impliqué des dizaines de personnes ! De mon côté, j’ai travaillé sur l’analyse et l’interprétation des courbes de phase. J’ai beaucoup d’expérience à analyser de telles mesures; j’ai mené ou contribué à pratiquement toutes les études publiées à ce jour qui exploitent cette technique avec le télescope spatial Spitzer. Cette fois-ci, j’ai eu le plaisir de ne pas avoir à me mêler du traitement des données, un processus plutôt déplaisant! Mon apport a été de proposer différentes hypothèses pour expliquer les observations.

iREx: Quelles surprises ou difficultés avez-vous rencontrées pendant ce projet?

Björn: Quand Ian et moi avons fait l’analyse des premières observations, nous avons constaté que l’émission thermique de la planète était tellement intense qu’il était possible de tenter d’observer sa courbe de phase en entier, une observation beaucoup plus difficile. Cela a mené à la seconde étude, à laquelle Nick a contribué.

Nick: Ces observations ont toutefois été ardues! Il a fallu pousser au maximum les limites du télescope spatial Spitzer, qui n’a pas été conçu pour faire ce genre de mesures! Pour ce faire, plusieurs équipes ont développé des algorithmes puissants qui ont permis d’améliorer le traitement et l’analyse des données. Un effort héroïque!

iREx: Quelle est la suite?

Björn et Nick: Le télescope spatial James Webb (JWST)!

Björn: Grâce à nos observations avec Spitzer, nous savons maintenant précisément quand l’éclipse survient, ce qui est essentiel pour planifier les observations avec JWST. Ce télescope nous permettra d’obtenir une courbe de phase beaucoup plus détaillée dans plusieurs longueurs d’onde, grâce à l’instrument canadien NIRISS.

Nick: On pourra avec ce télescope puissant mesurer la composition de l’atmosphère de la planète de manière plus robuste, et aussi d’étudier ses nuages.

iREx: En quoi l’étude de cette exoplanète peut intéresser Monsieur Madame Tout le monde?

Nick: On se demande tous s’il y a de la vie ailleurs dans l’univers. Or, pour obtenir une preuve définitive de la vie sur une exoplanète, c’est essentiel de comprendre en détails les processus physiques, chimiques et géologiques qui s’y déroulent. On doit connaître à fond les planètes sur lesquelles il n’y a pas de vie pour avoir un espoir de reconnaître celles qui pourraient en avoir.

Un autre aspect important est que l’étude du climat des exoplanètes, même de celui de planètes « exotiques » comme LTT 9779 b, nous permet de raffiner notre compréhension du climat passé, présent et futur de la Terre.

Note : Cette entrevue a été éditée dans un souci de clarté.

Pour en apprendre plus

Vidéo créée par le professeur James Jenkins (Universidad de Chile) pour expliquer les deux études (en anglais).

À propos des études

L’article « Spitzer Reveals Evidence of Molecular Absorption in the Atmosphere of the Hot Neptune LTT 9779b, a été publié par Diana Dragomir, Ian Crossfield, Björn Benneke et al. dans la revue The Astrophysical Journal Letters, supporté en partie par la NASA grâce à une bourse Caltech/Jet Propulsion Laboratory (JPL).

L’article « Phase Curves of Hot Neptune LTT 9779b Suggest a High-Metallicity Atmosphere With Nonzero Albedo » a été publié par Ian Crossfield, Diana Dragomir, Nicolas Cowan et al. dans la revue The Astrophysical Journal Letters.