Une exoplanète brûlante scrutée par les astronomes

À l’aide de l’instrument MAROON-X du télescope Gemini-North, l’équipe a pu identifier et mesurer l’abondance de 11 éléments chimiques dans l’atmosphère de la planète.

Ceux-ci incluent des 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 à des centaines d’années-lumière puisse nous apprendre quelque chose qu’il serait autrement impossible de savoir sur notre propre système solaire”, a déclaré Pelletier. “C’est le cas de cette étude.”

Un monde grand, chaud et étrange

WASP-76 b est un monde étrange. Elle atteint des températures extrêmes car elle 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 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 de la pluie de fer sur la planète.

Conscient de ces études, Pelletier est devenu motivé pour obtenir de nouvelles observations indépendantes de WASP-76 b à l’aide du spectrographe optique à haute résolution MAROON-X sur le télescope Gemini-North de 8 mètres à Hawai’i, qui fait partie de l’Observatoire international Gemini, exploité par le NOIRLab de la NSF.

« Nous avons reconnu que le puissant nouveau 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 », déclare Björn Benneke, professeur d’astronomie à l’UdeM, coauteur de l’étude et Directeur de recherche doctoral de Stefan Pelletier.

Une composition similaire à celle du Soleil

Au sein du Soleil, les abondances de presque tous les éléments du tableau périodique sont connues avec une grande précision. Dans les planètes géantes de notre système solaire, cependant, cela n’est vrai que pour une poignée d’éléments, dont les compositions restent mal contraintes. Et cela a entravé la compréhension des mécanismes régissant la formation de ces planètes.

Comme il est si proche de son étoile, WASP-76 b a une température bien supérieure à 2000°C. À ces degrés, de nombreux éléments qui formeraient normalement des roches ici 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 un aperçu sans précédent de la présence et de l’abondance d’éléments rocheux dans les planètes géantes, car 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, qui se forment de manière plus complexe.

Les résultats de cette nouvelle étude indiquent que les planètes géantes pourraient conserver une composition globale qui reflète celle du disque protoplanétaire à partir duquel elles se sont formées.

Appauvrissement d’autres éléments très intéressants

Cependant, d’autres éléments ont été appauvris dans la planète par rapport à l’étoile – un résultat que Pelletier a trouvé particulièrement intéressant.

“Ces 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. “Pendant ce temps, ceux qui correspondaient 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 découverte est que la composition observée des hautes atmosphères des planètes géantes peut être extrêmement sensible à la température. Selon la température de condensation d’un élément, il sera sous forme gazeuse et présent dans la partie supérieure de l’atmosphère, ou se condensera sous forme liquide où il coulera vers des couches plus profondes. Lorsqu’il est sous forme gazeuse, il joue un rôle important dans l’absorption de la lumière et peut être observé dans les observations des astronomes. Une fois condensée, elle ne peut être détectée par les astronomes et devient complètement absente de leurs observations.

“Si elle est confirmée, cette découverte signifierait que deux exoplanètes géantes qui ont des températures légèrement différentes l’une de l’autre pourraient avoir des atmosphères très différentes”, a déclaré Pelletier. “Un peu comme deux pots d’eau, l’un à -1°C qui est congelé et l’autre à +1°C qui est liquide. Par exemple, le calcium est observé sur WASP-76 b, mais il peut ne pas l’être sur une planète un peu plus froide.”

Première détection d’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 qu’il est détecté sans ambiguïté sur une exoplanète, et intéresse beaucoup les astronomes car ils savent qu’il peut avoir un impact important sur les planètes géantes chaudes.

“Cette molécule joue un rôle similaire à l’ozone dans l’atmosphère terrestre : elle est extrêmement efficace pour réchauffer la haute atmosphère”, a expliqué Pelletier. “Cela fait augmenter les températures en fonction de l’altitude, au lieu de diminuer comme on le voit généralement sur les planètes plus froides.”

Un élément, le nickel, est clairement plus abondant dans l’atmosphère de l’exoplanète que ce à quoi les astronomes s’attendaient. De nombreuses hypothèses pourraient expliquer cela; l’une est que WASP-76 b pourrait avoir accumulé des matériaux provenant d’une planète similaire à Mercure. Dans notre système solaire, la petite planète rocheuse s’est enrichie de métaux comme le nickel en raison de la façon dont elle s’est formée.

L’équipe de Pelletier a également découvert 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 cela est donc probablement un processus global tel qu’une différence de température ou des nuages ​​présents d’un côté de la planète mais pas de l’autre, plutôt que d’être le résultat d’une condensation sous forme liquide comme cela a été suggéré précédemment.

Confirmer et tirer parti des leçons apprises

Pelletier et son équipe sont très désireux d’en savoir plus sur cette exoplanète et d’autres planètes géantes ultra-chaudes, en partie pour confirmer leur hypothèse sur les atmosphères très différentes qui pourraient prévaloir sur des planètes légèrement différentes en température.

Ils espèrent également que d’autres chercheurs tireront parti de ce qu’ils ont appris de cette exoplanète géante et l’appliqueront pour mieux comprendre nos propres planètes du système solaire et comment elles sont apparues.

“Des générations de chercheurs ont utilisé les abondances mesurées de Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune pour l’hydrogène et l’hélium pour comparer les théories de formation des planètes gazeuses”, a déclaré 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.