Respirer du méthane sur un monde lointain

NASAc’est Télescope spatial James Webb Du méthane a été détecté dans l’atmosphère Exoplanète WASP-80 b, une étape importante dans l’exploration spatiale. La découverte, confirmée par des méthodes avancées d’analyse de la lumière, met en lumière la composition de la planète et permet d’établir des comparaisons avec les planètes de notre système solaire.

Le télescope spatial James Webb de la NASA a observé l’exoplanète WASP-80 b alors qu’elle passait devant et derrière son étoile hôte, révélant des spectres indiquant la présence d’une atmosphère contenant du méthane et de la vapeur d’eau. Alors que de la vapeur d’eau a été détectée jusqu’à présent sur plus d’une douzaine de planètes, le méthane, une molécule abondante dans l’atmosphère de la planète, ne l’a été que récemment. Jupiter, Saturne, UranusEt Neptune Au sein de notre système solaire, ils sont restés insaisissables dans les atmosphères des exoplanètes en transit lorsqu’ils ont été étudiés par spectroscopie spatiale.

Taylor Bell du Bay Area Environmental Research Institute (BAERI), basé au Ames Research Center de la NASA dans la Silicon Valley, en Californie, et Lewis Wilbanks de l’Arizona State University, nous en disent plus sur l’importance de détecter le méthane dans l’atmosphère extérieure des exoplanètes, et discutez de la manière dont cela a facilité les observations Web Détection du méthane dans les atmosphères des exoplanètes. Identification de cette molécule tant attendue. Ces résultats ont été récemment publiés dans la revue scientifique Nature.

Comprendre le « Jupiter chaud » WASP-80 B

« Avec une température d’environ 825 K (environ 1025 degrés F), WASP-80 b est ce que les scientifiques appellent des « Jupiters chauds », des planètes similaires en taille et en masse à Jupiter dans notre système solaire mais dont la température se situe entre celles des Jupiters chauds, par exemple 1 450 degrés Celsius. K (2 150 °F) HD 209458 b (la première exoplanète découverte), et les Jupiters froids, comme le nôtre, ont une température d’environ 125 K (235 °F). WASP-80 b orbite autour de son étoile naine rouge une fois tous les trois jours et se situe à 163 années-lumière de nous dans la constellation du Vautour. Puisque la planète est si proche de son étoile et que les deux sont si loin de nous, nous ne pouvons pas voir la planète directement, même avec les télescopes les plus avancés comme Webb. Au lieu de cela, les chercheurs étudient la lumière combinée de l’étoile et de la planète en utilisant la méthode du transit (qui a été utilisée pour découvrir la plupart des exoplanètes connues) et la méthode de l’éclipse.

Technologies de surveillance innovantes

En utilisant la méthode du transit, nous avons observé le système lorsque la planète se déplaçait devant son étoile de notre point de vue, provoquant une légère diminution de la lumière des étoiles que nous voyons. C’est comme si quelqu’un passait devant la lampe et que la lumière diminuait. Pendant ce temps, l’étoile illumine un mince anneau de l’atmosphère de la planète autour de la limite jour-nuit de la planète, et à certaines couleurs de lumière où les molécules de l’atmosphère de la planète absorbent la lumière, l’atmosphère apparaît plus épaisse et bloque davantage la lumière des étoiles. Cela provoque une opacité plus profonde par rapport aux autres longueurs d’onde où l’atmosphère apparaît transparente. Cette méthode aide les scientifiques comme nous à comprendre les composants de l’atmosphère d’une planète en voyant quelles couleurs de lumière sont obscurcies.

Pendant ce temps, en utilisant la méthode des éclipses, nous avons observé le système alors que la planète passait derrière son étoile de notre point de vue, provoquant une autre légère diminution de la lumière totale que nous recevions. Tous les objets émettent de la lumière, appelée rayonnement thermique, et l’intensité et la couleur de la lumière émise dépendent de la chaleur de l’objet. Juste avant et après l’éclipse, le côté chaud de la planète est dirigé vers nous, et en mesurant la baisse de la lumière pendant l’éclipse, nous avons pu mesurer la lumière infrarouge émanant de la planète. Pour les spectres d’éclipse, l’absorption par les molécules de l’atmosphère d’une planète apparaît généralement comme une diminution de la lumière émise par la planète à des longueurs d’onde spécifiques. De plus, comme la planète est beaucoup plus petite et plus froide que son étoile hôte, la profondeur de l’éclipse est bien inférieure à la profondeur du transit.

Spectre de transit mesuré (en haut) et spectre d’éclipse (en bas) de WASP-80 b à partir du mode spectroscopie sans fente du NIRCam sur le télescope spatial James Webb de la NASA. Dans les deux spectres, il existe des preuves évidentes d’absorption par l’eau et le méthane, dont les contributions sont indiquées par des lignes colorées. Lors d’un transit, la planète passe devant l’étoile et, dans le spectre de transit, la présence de particules amène l’atmosphère de la planète à bloquer davantage de lumière à certaines couleurs, provoquant une atténuation plus profonde à ces longueurs d’onde. Lors d’une éclipse, la planète passe derrière l’étoile et, dans ce spectre d’éclipse, les particules absorbent une partie de la lumière émise par la planète dans des couleurs spécifiques, ce qui entraîne une baisse de luminosité plus faible lors d’une éclipse que lors d’un transit. Crédit image : PAYRI/NASA/Taylor Bell

Analyse de données spectrales

Nos observations initiales ont dû être converties en quelque chose que nous appelons un spectre ; Il s’agit essentiellement d’une mesure qui montre la quantité de lumière bloquée ou émise par l’atmosphère d’une planète avec différentes couleurs (ou longueurs d’onde) de lumière. Il existe de nombreux outils différents pour convertir les observations brutes en spectres utiles. Nous avons donc utilisé deux méthodes différentes pour garantir que nos résultats étaient robustes face à différentes hypothèses. Nous avons ensuite interprété ce spectre à l’aide de deux types de modèles pour simuler à quoi ressemblerait l’atmosphère de la planète dans ces conditions extrêmes. Le premier type de modèle est assez flexible, expérimentant des millions de combinaisons de méthane, d’abondance d’eau et de température pour trouver la combinaison qui correspond le mieux à nos données. Le deuxième type, appelé « modèles auto-cohérents », explore également des millions de combinaisons, mais utilise nos connaissances existantes en physique et en chimie pour déterminer les niveaux de méthane et d’eau auxquels on peut s’attendre. Les deux types de modèles aboutissent à la même conclusion : une éventuelle détection de méthane.

Pour valider nos résultats, nous avons utilisé des méthodes statistiques robustes pour évaluer la probabilité que nos résultats soient dus à du bruit aléatoire. Dans notre domaine, nous considérons que la « détection 5 sigma » est la « détection 5 sigma », ce qui signifie que les chances de détection résultant d’un bruit aléatoire sont de 1 sur 1,7 million. Dans le même temps, nous avons détecté du méthane à 6,1 sigma dans le spectre de transit et d’éclipse, fixant les chances d’une fausse découverte dans chaque observation à 1 sur 942 millions, dépassant « l’étalon-or » de 5 sigma et renforçant notre confiance dans les deux. Découvertes.

Implications pour la détection du méthane

Grâce à cette découverte confiante, non seulement nous avons trouvé une molécule insaisissable, mais nous pouvons maintenant commencer à explorer ce que cette structure chimique nous dit sur la naissance, la croissance et l’évolution de la planète. Par exemple, en mesurant la quantité de méthane et d’eau présente sur la planète, nous pouvons en déduire le rapport entre les atomes de carbone et les atomes d’oxygène. Ce rapport devrait changer en fonction de l’endroit et du moment où les planètes se forment dans leur système. Ainsi, l’examen du rapport carbone/oxygène peut fournir des indices permettant de savoir si la planète s’est formée près ou loin de son étoile avant de se déplacer progressivement vers l’intérieur.

Une autre chose qui nous a enthousiasmés à propos de cette découverte était l’opportunité de comparer enfin les planètes situées à l’extérieur de notre système solaire avec les planètes situées à l’intérieur de celui-ci. La NASA a l’habitude d’envoyer des vaisseaux spatiaux vers les géantes gazeuses de notre système solaire pour mesurer la quantité de méthane et d’autres molécules dans leur atmosphère. Désormais, en mesurant le même gaz dans une exoplanète, nous pouvons commencer à faire une comparaison « pommes avec pommes » et voir si les prédictions du système solaire correspondent à ce que nous voyons à l’extérieur de celui-ci.

Perspectives d’avenir avec le télescope spatial James Webb

Enfin, alors que nous attendons avec impatience les futures découvertes avec Webb, ce résultat nous montre que nous sommes sur le point de faire des découvertes encore plus passionnantes. Des observations supplémentaires MIRI et NIRCam de WASP-80 b à l’aide de Webb nous permettront d’explorer les propriétés de l’atmosphère à différentes longueurs d’onde de lumière. Nos résultats nous portent à croire que nous serons en mesure de surveiller d’autres molécules riches en carbone, telles que le monoxyde de carbone et le dioxyde de carbone, ce qui nous permettra de dresser un tableau plus complet des conditions qui prévalent dans l’atmosphère de cette planète.

De plus, lorsque nous trouverons du méthane et d’autres gaz sur les exoplanètes, nous continuerons à élargir nos connaissances sur le fonctionnement de la chimie et de la physique dans des conditions différentes de celles qui existent sur Terre et, peut-être bientôt, sur d’autres planètes rappelant celles que nous connaissons ici. à la maison. Une chose est claire : un voyage d’exploration avec le télescope spatial James Webb est plein de surprises potentielles.

Référence : « Méthane dans l’atmosphère de l’exoplanète chaude WASP-80b » par Taylor J. Bell, Lewis Wilbanks, Everett Schloein, Michael R. Lane, Jonathan J. Fortney, Thomas B. Green, Kazumasa Ono, Vivian Parmentier, Emily Rauscher , Thomas J. . Beattie, Sajnik Mukherjee, Lindsay S. Weiser, Martha L. Boyer, Marcia J. Ricky et John A. Stansbury, le 22 novembre 2023, nature.
est ce que je: 10.1038/s41586-023-06687-0

À propos des auteurs:

• Taylor Bell est chercheur postdoctoral au Bay Area Environmental Research Institute (BAERI), travaillant au NASA Ames Research Center dans la Silicon Valley, en Californie.
• Lewis Wilbanks est un boursier Hubble de la NASA à l’Arizona State University à Tempe, en Arizona.