Le chaud Jupiter explose

La planète appelée HAT-P-32b perd tellement d’hélium atmosphérique que les queues de gaz qui traînent comptent parmi les plus grandes structures jamais connues d’une exoplanète, une planète située en dehors de notre système solaire, selon les observations des astronomes.

Des simulations tridimensionnelles (3D) sur le supercalculateur Stampede2 du Texas Advanced Computing Center (TACC) ont permis de modéliser le flux de l’atmosphère de la planète, sur la base des données du télescope Hobby-Eberly de l’Université du Texas à l’observatoire McDonald d’Austin. Les scientifiques espèrent élargir leur réseau d’observation des planètes et étudier 20 systèmes stellaires supplémentaires pour trouver davantage de planètes perdant leur atmosphère et en apprendre davantage sur leur évolution.

“Nous avons surveillé cette planète et l’étoile hôte avec une spectroscopie de longues séries temporelles, des observations faites de l’étoile et de la planète pendant quelques nuits. Et ce que nous avons découvert, c’est qu’il y a une gigantesque queue d’hélium gazeux associée à la planète. La queue est grand – environ 53 fois le rayon de la planète – formé par le gaz qui s’échappe de la planète”, a déclaré Zhoujian Zhang, chercheur postdoctoral au Département d’astronomie et d’astrophysique de l’Université de Californie à Santa Cruz.

Zhang est l’auteur principal d’une étude sur la queue d’hélium détectée par HAT-P 32b, publiée dans Science Advances en juin 2023. L’équipe scientifique a utilisé les données du spectrographe Habitable Planet Finder, un instrument du télescope Hobby-Eberly, qui fournit haute résolution spectrale de la lumière dans les longueurs d’onde du proche infrarouge.

La planète HAT-P-32b a été découverte en 2011 grâce aux données spectroscopiques du réseau de télescopes automatisés de fabrication hongroise. On l’appelle « Jupiter chaud », une géante gazeuse semblable à notre planète voisine Jupiter, mais avec un rayon deux fois plus grand. Ce Jupiter chaud épouse étroitement son orbite autour de son étoile hôte, à environ trois pour cent de la distance entre la Terre et le Soleil. Sa période orbitale – ce que nous considérons comme une année ici sur Terre – n’est que de 2,15 jours, et cette proximité avec l’étoile la brûle avec des rayonnements à ondes longues et courtes.

La principale motivation de l’intérêt des scientifiques pour l’étude des Jupiters chauds est la recherche du mystère du désert neptunien, la rareté relative inexplicable en moyenne des planètes de masse intermédiaire, ou sous-Jupiters, avec de courtes périodes orbitales.

“L’une des explications potentielles est que les planètes perdent peut-être leur masse”, a proposé Zhang. “Si nous pouvons capturer des planètes en train de perdre leur atmosphère, alors nous pouvons étudier à quelle vitesse la planète perd sa masse et quels sont les mécanismes qui font que leur atmosphère s’échappe de la planète. C’est bien d’avoir quelques exemples à voir comme le processus HAT-P-32b en action.”

La lumière analysée dans l’étude provient de l’étoile HAT-P-32 A. Elle est légèrement plus chaude et de taille similaire à celle de notre propre soleil. La lumière analysée n’est pas simplement la lumière des étoiles. Lorsque la planète passe devant l’étoile, pendant quelques heures seulement, la lumière de l’étoile est filtrée le plus par l’atmosphère gazeuse de la planète. Ce filtrage, appelé absorption, révèle les caractéristiques de la planète en transit, en l’occurrence d’énormes sorties d’hélium lors de l’analyse des spectres.

Zhang et ses collègues ont utilisé une technique appelée spectroscopie de transmission pour séparer la lumière des étoiles en fréquences qui la composent, comme un prisme sépare la lumière du soleil en un spectre arc-en-ciel. Les lacunes dans le spectre indiquent que la lumière est absorbée par les éléments de l’atmosphère gazeuse du HAT-P-32b.

“Ce que nous voyons dans nos données, c’est que lorsque la planète transite par l’étoile, nous voyons des lignes d’absorption d’hélium plus profondes. L’absorption d’hélium est plus forte que ce que nous attendons de l’atmosphère stellaire. Cette absorption excessive d’hélium devrait être causée par l’atmosphère de la planète. “Lorsque la planète est en transit, son atmosphère est si énorme qu’elle bloque une partie de l’atmosphère qui absorbe la raie de l’hélium, ce qui provoque cette absorption excessive. C’est ainsi que nous avons découvert que le HAT-P-32b était une planète intéressante”, a déclaré Zhang. dit.

Cela est devenu plus intéressant à mesure qu’ils ont développé des simulations hydrodynamiques 3D du HAT-P-32b et de l’étoile hôte, dirigées par Antonija Oklopčić, de l’Institut Anton Pannekoek d’astronomie, Université d’Amsterdam ; et Morgan MacLeod, Institut de théorie et de calcul, Centre Harvard-Smithsonian d’astrophysique, Université Harvard.

Les modèles ont examiné les interactions entre le flux planétaire et les vents stellaires dans le champ gravitationnel des marées du système extrasolaire. Les modèles ont montré des queues colonnaires d’écoulement planétaire menant et traînant la planète le long de sa trajectoire orbitale avec une absorption excessive d’hélium, même loin des points de transit correspondant aux observations. De plus, les modèles suggèrent une perte totale de l’atmosphère en environ 4 x 10e10 années terrestres.

“Nous avons utilisé les nœuds Intel Skylake du système Stampede2 de TACC pour nos calculs”, a déclaré MacLeod. “Ce calcul implique le suivi du flux à mesure qu’il s’accélère depuis une “atmosphère” subsonique lente près de la planète jusqu’à un vent supersonique à mesure qu’il s’éloigne. Le système HAT-P-32b a été identifié comme ayant un écoulement à grande échelle de taille similaire. à l’orbite de la planète autour de l’étoile. Prises ensemble, ces exigences suggèrent la nécessité d’un algorithme stable et de haute précision pour résoudre la dynamique des gaz tridimensionnelle.

Les modélisateurs ont utilisé le logiciel hydrodynamique Athena++ et une configuration de problème personnalisée pour effectuer leurs calculs sur Stampede2. Grâce à lui, ils résolvent les équations de la dynamique des gaz dans un référentiel rotatif qui correspond au mouvement orbital de la planète. Athena++ est un code eulérien – le flux est discrétisé avec des éléments de volume – et ils ont utilisé des couches imbriquées de raffinement de maillage pour capturer le système étoile-planète à grande échelle ainsi que l’échelle beaucoup plus petite de l’atmosphère près de la surface de la planète.

“Utiliser les systèmes TACC HPC est une joie”, a déclaré MacLeod. “Quelques éléments entrent en jeu – le premier, et le plus important, est le niveau d’assistance. Chaque fois que j’ai un problème, je peux appeler la ligne d’assistance, obtenir de l’aide et recommencer à faire la science dans laquelle je suis le meilleur. Deuxièmement, la grande majorité de mon temps est consacrée au développement et à la validation des résultats du modèle, plutôt qu’à l’exécution d’un seul calcul à grande échelle. Les systèmes TACC sont incroyablement bien configurés pour cette réalité et accélèrent considérablement le rythme du développement. Être capable d’exécuter des calculs de test dans les files d’attente de développement ou de soumettre des calculs plus importants d’une gamme de tailles en amont d’un éventuel modèle final est crucial et efficace dans ces environnements.

À l’avenir, les scientifiques espèrent continuer à développer des modèles 3D sophistiqués qui capturent des effets tels que le mélange atmosphérique de gaz et même les vents dans l’atmosphère sur des mondes plus éloignés, à des centaines, voire des milliers d’années-lumière.

“Il est maintenant temps de disposer de superordinateurs dotés de la puissance de calcul nécessaire pour y parvenir”, a déclaré Zhang. “Nous avons besoin des ordinateurs pour faire de véritables prédictions basées sur les progrès récents de la théorie et pour expliquer les données. Les superordinateurs relient le modèle et les données.”

“La meilleure chose que nous puissions faire est d’observer le ciel nocturne et d’essayer de recréer ce que nous voyons grâce à la modélisation informatique”, a conclu MacLeod. “Notre univers est compliqué. Cela signifie que nous devons avoir accès aux meilleurs systèmes de calcul intensif.”