La face nocturne de la planète abrite probablement des nuages ​​de fer, de la pluie de titane et des vents qui éclipsent le courant-jet de la Terre. —


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  • Les astronomes du MIT ont obtenu la vue la plus claire à ce jour du côté obscur perpétuel d’une exoplanète qui est « verrouillée par les marées » à son étoile. Leurs observations, combinées aux mesures du côté jour permanent de la planète, fournissent la première vue détaillée de l’atmosphère globale d’une exoplanète.

    « Nous allons maintenant au-delà de la prise d’instantanés isolés de régions spécifiques d’atmosphères d’exoplanètes, pour les étudier comme les systèmes 3D qu’ils sont vraiment », déclare Thomas Mikal-Evans, qui a dirigé l’étude en tant que postdoctorant à l’Institut Kavli d’astrophysique et d’espace du MIT. Recherche.

    La planète au centre de la nouvelle étude, qui apparaît dans Astronomie naturelle, est WASP-121b, une géante gazeuse massive de près de deux fois la taille de Jupiter. La planète est un Jupiter ultra-chaud et a été découverte en 2015 en orbite autour d’une étoile à environ 850 années-lumière de la Terre. WASP-121b a l’une des orbites les plus courtes détectées à ce jour, faisant le tour de son étoile en seulement 30 heures. Il est également verrouillé par la marée, de sorte que son côté « jour » face à l’étoile rôtit en permanence, tandis que son côté « nuit » est tourné pour toujours vers l’espace.

    « Les Jupiters chauds sont célèbres pour avoir des côtés jour très lumineux, mais le côté nuit est une bête différente. Le côté nuit de WASP-121b est environ 10 fois plus faible que son côté jour », explique Tansu Daylan, postdoctorant TESS au MIT qui a co-écrit l’étude.

    Les astronomes avaient auparavant détecté de la vapeur d’eau et étudié comment la température atmosphérique change avec l’altitude du côté jour de la planète.

    La nouvelle étude dresse un tableau beaucoup plus détaillé. Les chercheurs ont pu cartographier les changements de température spectaculaires du jour au côté nuit et voir comment ces températures changent avec l’altitude. Ils ont également suivi la présence d’eau dans l’atmosphère pour montrer, pour la première fois, comment l’eau circule entre les côtés jour et nuit d’une planète.

    Alors que sur Terre, l’eau cycle en s’évaporant, puis en se condensant en nuages, puis en pleuvant, sur WASP-121b, le cycle de l’eau est beaucoup plus intense : du côté jour, les atomes qui composent l’eau sont déchirés à des températures supérieures à 3 000 Kelvin. Ces atomes sont soufflés du côté nuit, où des températures plus froides permettent aux atomes d’hydrogène et d’oxygène de se recombiner en molécules d’eau, qui retournent ensuite du côté jour, où le cycle recommence.

    L’équipe calcule que le cycle de l’eau de la planète est soutenu par des vents qui fouettent les atomes autour de la planète à des vitesses allant jusqu’à 5 kilomètres par seconde, soit plus de 11 000 miles par heure.

    Il apparaît également que l’eau n’est pas la seule à circuler autour de la planète. Les astronomes ont découvert que le côté nuit est suffisamment froid pour abriter des nuages ​​​​exotiques de fer et de corindon – un minéral qui compose les rubis et les saphirs. Ces nuages, comme la vapeur d’eau, peuvent se déplacer du côté du jour, où les températures élevées vaporisent les métaux sous forme gazeuse. Sur le chemin, des pluies exotiques pourraient être produites, telles que des gemmes liquides provenant des nuages ​​​​de corindon.

    « Avec cette observation, nous obtenons vraiment une vue globale de la météorologie d’une exoplanète », déclare Mikal-Evans.

    Les co-auteurs de l’étude comprennent des collaborateurs du MIT, de l’Université Johns Hopkins, de Caltech et d’autres institutions.

    Jour et nuit

    L’équipe a observé WASP-121b à l’aide d’une caméra spectroscopique à bord du télescope spatial Hubble de la NASA. L’instrument observe la lumière d’une planète et de son étoile, et décompose cette lumière en ses longueurs d’onde constitutives, dont les intensités donnent aux astronomes des indices sur la température et la composition d’une atmosphère.

    Grâce à des études spectroscopiques, les scientifiques ont observé des détails atmosphériques du côté jour de nombreuses exoplanètes. Mais faire la même chose pour le côté nuit est beaucoup plus délicat, car cela nécessite de surveiller les minuscules changements dans l’ensemble du spectre de la planète lorsqu’elle tourne autour de son étoile.

    Pour la nouvelle étude, l’équipe a observé WASP-121b sur deux orbites complètes, l’une en 2018 et l’autre en 2019. Pour les deux observations, les chercheurs ont examiné les données lumineuses pour une ligne spécifique, ou caractéristique spectrale, qui indiquait le présence de vapeur d’eau.

    « Nous avons vu cette caractéristique de l’eau et cartographié comment elle a changé à différentes parties de l’orbite de la planète », explique Mikal-Evans. « Cela encode des informations sur ce que fait la température de l’atmosphère de la planète en fonction de l’altitude. »

    La caractéristique de l’eau changeante a aidé l’équipe à cartographier le profil de température du côté jour et du côté nuit. Ils ont découvert que le côté jour varie de 2 500 Kelvin dans sa couche observable la plus profonde à 3 500 Kelvin dans ses couches supérieures. Le côté nuit variait de 1 800 Kelvin dans sa couche la plus profonde à 1 500 Kelvin dans sa haute atmosphère. Fait intéressant, les profils de température semblaient basculer, augmentant avec l’altitude du côté jour – une « inversion thermique », en termes météorologiques – et chutant avec l’altitude du côté nuit.

    Les chercheurs ont ensuite passé les cartes de température à travers divers modèles pour identifier les produits chimiques susceptibles d’exister dans l’atmosphère de la planète, compte tenu des altitudes et des températures spécifiques. Cette modélisation a révélé le potentiel de nuages ​​métalliques, tels que le fer, le corindon et le titane du côté nuit.

    À partir de leur cartographie de la température, l’équipe a également observé que la région la plus chaude de la planète est déplacée vers l’est de la région « sous-stellaire » directement sous l’étoile. Ils en ont déduit que ce déplacement est dû aux vents extrêmes.

    « Le gaz est chauffé au point sous-stellaire mais est soufflé vers l’est avant de pouvoir se réémettre dans l’espace », explique Mikal-Evans.

    D’après l’ampleur du changement, l’équipe estime que la vitesse du vent se situe à environ 5 kilomètres par seconde.

    « Ces vents sont beaucoup plus rapides que notre courant-jet et peuvent probablement déplacer des nuages ​​​​sur toute la planète en environ 20 heures », explique Daylan, qui a dirigé des travaux antérieurs sur la planète à l’aide de la mission dirigée par le MIT de la NASA, TESS.

    Les astronomes ont réservé du temps sur le télescope spatial James Webb pour observer WASP-121b plus tard cette année, et espèrent cartographier les changements non seulement dans la vapeur d’eau mais aussi dans le monoxyde de carbone, que les scientifiques soupçonnent de résider dans l’atmosphère.

    « Ce serait la première fois que nous pourrions mesurer une molécule contenant du carbone dans l’atmosphère de cette planète », a déclaré Mikal-Evans. « La quantité de carbone et d’oxygène dans l’atmosphère fournit des indices sur l’endroit où ces types de planètes se forment. »

    Cette recherche a été financée en partie par la NASA grâce à une subvention du Space Telescope Science Institute.

    Vidéo: https://youtu.be/XnMXf-uASzo

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