Température d’une exoplanète rocheuse mesurée —

C’est la première détection de n’importe quel forme de lumière émise par une exoplanète aussi petite et aussi froide que les planètes rocheuses de notre propre système solaire. Le résultat marque une étape importante pour déterminer si les planètes en orbite autour de petites étoiles actives comme TRAPPIST-1 peuvent maintenir les atmosphères nécessaires à la vie. Cela augure également bien de la capacité de Webb à caractériser des exoplanètes tempérées de la taille de la Terre à l’aide de MIRI.

“Ces observations tirent vraiment parti de la capacité infrarouge moyen de Webb”, a déclaré Thomas Greene, astrophysicien au centre de recherche Ames de la NASA et auteur principal de l’étude publiée aujourd’hui dans la revue. Nature. “Aucun télescope précédent n’a eu la sensibilité pour mesurer une lumière aussi faible dans l’infrarouge moyen.”

Planètes rocheuses en orbite autour de naines rouges ultrafroides

Début 2017, des astronomes ont signalé la découverte de sept planètes rocheuses en orbite autour d’une étoile naine rouge ultrafroide (ou naine M) à 40 années-lumière de la Terre. Ce qui est remarquable à propos des planètes, c’est leur similitude de taille et de masse avec les planètes rocheuses intérieures de notre propre système solaire. Bien qu’elles orbitent toutes beaucoup plus près de leur étoile que n’importe laquelle de nos planètes en orbite autour du Soleil – toutes pourraient s’adapter confortablement à l’orbite de Mercure – elles reçoivent des quantités comparables d’énergie de leur petite étoile.

TRAPPIST-1 b, la planète la plus intérieure, a une distance orbitale d’environ un centième de celle de la Terre et reçoit environ quatre fois la quantité d’énergie que la Terre reçoit du Soleil. Bien qu’elle ne se trouve pas dans la zone habitable du système, les observations de la planète peuvent fournir des informations importantes sur ses planètes sœurs, ainsi que sur celles d’autres systèmes M-nains.

“Il y a dix fois plus de ces étoiles dans la Voie lactée qu’il y a d’étoiles comme le Soleil, et elles sont deux fois plus susceptibles d’avoir des planètes rocheuses que des étoiles comme le Soleil”, a expliqué Greene. “Mais ils sont aussi très actifs – ils sont très brillants quand ils sont jeunes, et ils émettent des fusées éclairantes et des rayons X qui peuvent anéantir une atmosphère.”

La co-auteure Elsa Ducrot du Commissariat aux énergies alternatives et à l’énergie atomique (CEA) en France, qui faisait partie de l’équipe qui a mené des études antérieures sur le système TRAPPIST-1, a ajouté : “Il est plus facile de caractériser les planètes terrestres autour d’étoiles plus petites et plus froides. Si nous voulons comprendre l’habitabilité autour des étoiles M, le système TRAPPIST-1 est un excellent laboratoire. Ce sont les meilleures cibles dont nous disposons pour observer les atmosphères des planètes rocheuses.

Détecter une atmosphère (ou pas)

Les observations précédentes de TRAPPIST-1 b avec les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer n’ont trouvé aucune preuve d’une atmosphère gonflée, mais n’ont pas été en mesure d’exclure une atmosphère dense.

Une façon de réduire l’incertitude est de mesurer la température de la planète. “Cette planète est verrouillée par les marées, avec un côté faisant face à l’étoile à tout moment et l’autre dans l’obscurité permanente”, a déclaré Pierre-Olivier Lagage du CEA, co-auteur de l’article. “S’il y a une atmosphère pour faire circuler et redistribuer la chaleur, le côté jour sera plus frais que s’il n’y a pas d’atmosphère.”

L’équipe a utilisé une technique appelée photométrie d’éclipse secondaire, dans laquelle MIRI a mesuré le changement de luminosité du système lorsque la planète se déplaçait derrière l’étoile. Bien que TRAPPIST-1 b ne soit pas assez chaud pour émettre sa propre lumière visible, il a une lueur infrarouge. En soustrayant la luminosité de l’étoile seule (pendant l’éclipse secondaire) de la luminosité de l’étoile et de la planète combinées, ils ont pu calculer avec succès la quantité de lumière infrarouge émise par la planète.

Mesurer de minuscules changements de luminosité

La détection par Webb d’une éclipse secondaire est en soi une étape majeure. Avec l’étoile plus de 1 000 fois plus brillante que la planète, le changement de luminosité est inférieur à 0,1 %.

“Il y avait aussi une certaine crainte que nous manquions l’éclipse. Les planètes se tirent toutes les unes sur les autres, donc les orbites ne sont pas parfaites”, a déclaré Taylor Bell, chercheur post-doctoral au Bay Area Environmental Research Institute qui a analysé les données. . “Mais c’était tout simplement incroyable : l’heure de l’éclipse que nous avons vue dans les données correspondait à l’heure prévue en quelques minutes.”

L’équipe a analysé les données de cinq observations d’éclipses secondaires distinctes. “Nous avons comparé les résultats à des modèles informatiques montrant ce que devrait être la température dans différents scénarios”, a expliqué Ducrot. “Les résultats sont presque parfaitement cohérents avec un corps noir fait de roche nue et sans atmosphère pour faire circuler la chaleur. Nous n’avons également vu aucun signe de lumière absorbée par le dioxyde de carbone, ce qui serait apparent dans ces mesures.”

Cette recherche a été menée dans le cadre du programme Webb Guaranteed Time Observation (GTO) 1177, qui est l’un des huit programmes de la première année scientifique de Webb conçu pour aider à caractériser pleinement le système TRAPPIST-1. Des observations d’éclipse secondaires supplémentaires de TRAPPIST-1 b sont actuellement en cours, et maintenant qu’ils savent à quel point les données peuvent être bonnes, l’équipe espère éventuellement capturer une courbe de phase complète montrant le changement de luminosité sur toute l’orbite. Cela leur permettra de voir comment la température change du jour au côté nocturne et de confirmer si la planète a une atmosphère ou non.

“Il y avait une cible que je rêvais d’avoir”, a déclaré Lagage, qui a travaillé sur le développement de l’instrument MIRI pendant plus de deux décennies. “Et c’était celle-ci. C’est la première fois que nous pouvons détecter l’émission d’une planète rocheuse et tempérée. C’est une étape vraiment importante dans l’histoire de la découverte d’exoplanètes.”