Des scientifiques mesurent l’atmosphère d’une planète dans un autre système solaire, à 340 années-lumière

Concept d’artiste d’une exoplanète « Hot Jupiter ». Crédit : NASA, ESA et L. Hustak (STScI)

Une équipe internationale de scientifiques, utilisant le télescope de l’Observatoire de la Terre Gemini au Chili, est la première à mesurer directement la quantité d’eau et de monoxyde de carbone dans l’atmosphère d’une planète d’un autre système solaire à environ 340 années-lumière.

L’équipe est dirigée par le professeur agrégé Michael Lane de la School of Earth and Space Exploration de l’Arizona State University, et les résultats ont été publiés aujourd’hui (27 octobre 2021) dans la revue. tempérer la nature.

Il existe des milliers de planètes connues en dehors de notre système solaire (appelées exoplanètes). Les scientifiques utilisent à la fois des télescopes spatiaux et au sol pour examiner comment ces exoplanètes se forment et en quoi elles diffèrent des planètes de notre système solaire.

Dans cette étude, Laine et son équipe se sont concentrés sur la planète « WASP-77Ab », un type de planète extrasolaire appelé « chaud » Jupiter« Parce qu’ils sont comme Jupiter dans notre système solaire, mais avec une température de plus de 2000 degrés F.

Ils se sont ensuite concentrés sur la mesure de la composition de son atmosphère pour déterminer quels éléments étaient présents, par rapport à l’étoile qu’elle orbite.

« Compte tenu de leur taille et de leur température, les Jupiters chauds sont d’excellents laboratoires pour mesurer les gaz atmosphériques et tester nos théories sur la formation des planètes », a déclaré Lane.

Bien que nous ne puissions pas encore envoyer de vaisseaux spatiaux sur des planètes en dehors de notre système solaire, les scientifiques peuvent étudier la lumière des exoplanètes à l’aide de télescopes. Les télescopes qu’ils utilisent pour observer cette lumière peuvent être soit dans l’espace, comme Le télescope spatial Hubble, ou de la Terre, comme les télescopes de l’Observatoire Gemini.

Lane et son équipe ont été largement impliqués dans la mesure des compositions atmosphériques des exoplanètes à l’aide de Hubble, mais l’obtention de ces mesures a été difficile. Non seulement il y a une concurrence féroce pour le temps du télescope, mais les instruments Hubble ne mesurent que l’eau (ou l’oxygène) et l’équipe doit également collecter des mesures de monoxyde de carbone (ou de carbone).

C’est là que l’équipe s’est tournée vers le télescope Gemini South.

« Nous devions essayer quelque chose de différent pour répondre à nos questions », a déclaré Lane. « Et notre analyse des capacités de South Gemini a indiqué que nous pouvions obtenir des mesures très précises de l’atmosphère. »

Gemini South est un télescope de 8,1 mètres de diamètre situé sur une montagne des Andes chiliennes appelée Cerro Pachón, où l’air très sec et la couverture nuageuse négligeable en font un emplacement de choix pour le télescope. Il est exploité par NOIRLab de la National Science Foundation (National Optical and Infrared Astronomy Research Laboratory).

À l’aide du télescope Gemini South, avec un instrument appelé spectromètre infrarouge à grille d’immersion (IGRINS), l’équipe a observé la lueur thermique de l’exoplanète alors qu’elle tournait autour de son étoile hôte. À partir de cet appareil, ils ont collecté des informations sur la présence et les quantités relatives de divers gaz dans l’atmosphère.

Comme les satellites météorologiques et climatiques utilisés pour mesurer la quantité de vapeur d’eau et de dioxyde de carbone dans l’atmosphère terrestre, les scientifiques peuvent utiliser des spectromètres et des télescopes, tels que IGRINS sur Gemini South, pour mesurer les quantités de divers gaz sur d’autres planètes.

« Essayer de comprendre la composition de l’atmosphère des planètes, c’est comme essayer de résoudre un crime avec une empreinte digitale », a déclaré Lane. « Une empreinte digitale maculée ne la réduit pas trop, mais une empreinte digitale très propre et soignée fournit un identifiant unique pour celui qui a commis le crime. »

Là où le télescope spatial Hubble a fourni à l’équipe une ou deux empreintes digitales mystérieuses, IGRINS à Gemini South a fourni à l’équipe un ensemble complet d’empreintes digitales limpides.

En utilisant des mesures explicites de l’eau et du monoxyde de carbone dans l’atmosphère de WASP-77Ab, l’équipe a ensuite pu estimer les quantités relatives d’oxygène et de carbone dans l’atmosphère de l’exoplanète.

En mesurant le décalage Doppler indiqué dans la colonne de droite de cette figure, les scientifiques peuvent reconstituer la vitesse orbitale de la planète dans le temps vers ou loin de la Terre. La force du signal de la planète, comme indiqué dans la colonne du milieu, le long de la vitesse apparente projetée (courbe de la mer en pointillés) de la planète en orbite autour de l’étoile, contient des informations sur les quantités de divers gaz dans l’atmosphère. Crédit : P. Smith/M. Lines. Selkirk / USS

« Ces montants étaient conformes à nos attentes et sont à peu près les mêmes que ceux de la star hôte », a déclaré Lane.

Obtenir une abondance de gaz ultrafins dans l’atmosphère des exoplanètes n’est pas seulement un exploit technique important, en particulier avec un télescope au sol, mais peut également aider les scientifiques à rechercher la vie sur d’autres planètes.

« Ce travail représente une démonstration de la façon de mesurer en fin de compte les gaz de biosignature tels que l’oxygène et le méthane dans des mondes potentiellement habitables dans un avenir pas trop lointain », a déclaré Lane.

Ce que Line et l’équipe prévoient faire ensuite est de répéter cette analyse pour plusieurs planètes et de créer un « échantillon » de mesures atmosphériques sur au moins 15 autres planètes.

« Nous sommes maintenant au point où nous pouvons obtenir des fractions d’abondance de gaz similaires à celles des planètes de notre système solaire. Mesurer les abondances de carbone et d’oxygène (et d’autres éléments) dans l’atmosphère d’un plus grand échantillon d’exoplanètes contexte pour comprendre les origines et l’évolution de nos géantes gazeuses telles que Jupiter et Saturnedit Line.

Ils attendent également avec impatience ce que les futurs télescopes peuvent offrir.

« Si nous pouvons le faire avec la technologie d’aujourd’hui, réfléchissez à ce que nous pourrons faire avec les télescopes émergents comme le télescope géant de Magellan », a déclaré Lane. « C’est une réelle possibilité que d’ici la fin de cette décennie, nous puissions utiliser la même méthode pour explorer les signaux potentiels de la vie, qui contiennent également du carbone et de l’oxygène, sur des planètes rocheuses semblables à la Terre en dehors de notre système solaire. »

Référence : « Solar C/O and Quasi-solar Metallicity in Jupiter’s Hot Atmosphere » par Michael R. Line, Matteo Brugi, Jacob L. Penn, Siddharth Gandhi, Joseph Zaleski, Vivian Parmentier, Peter Smith, Gregory N. Megan Mansfield, Eliza M. Kimton, Jonathan J. Fortney, Evgenia Shkolnik, Jennifer Passion, Emily Rausher, Jean-Michel Desert et Just B Wardner, 27 octobre 2021, tempérer la nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03912-6

En plus de Line, l’équipe de recherche comprend Joseph Zaleski, Evgenia Shkolnik, Jennifer Patchens et Peter Smith de la School of Earth and Space Exploration de l’Arizona State University ; Matthew Bruggi et Siddharth Gandhi de Université de Warwick (Royaume-Uni); Jacob Bean et Megan Mansfield de Université de Chicago; Vivien Parmentier et Joost Wardenier de L’université d’Oxford (Royaume-Uni); Gregory Mays de l’Université du Texas à Austin. Eliza Kempton de l’Université du Maryland ; Jonathan Fortney de l’Université de Californie, Santa Cruz ; Emily Rausher de l’Université du Michigan ; et Jean-Michel Desert de l’Université d’Amsterdam.