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Le télescope spatial Webb de la NASA est prêt à percer les secrets de la planète la plus mystérieuse de la galaxie

Illustration montrant à quoi pourrait ressembler l’exoplanète GJ 1214 b sur la base des informations actuelles. GJ 1214 b, une exoplanète chaude de la taille de Neptune située à environ 48 années-lumière de la Terre, est l’une des exoplanètes les plus étudiées de la galaxie. Des observations spectroscopiques antérieures indiquent que la planète est entourée d’aérosols (nuages ​​ou brouillard), ce qui empêchait jusqu’à présent de déterminer la composition des gaz qui composent son épaisse atmosphère. Crédit : NASA, ESA, CSA et D. Player (STScI)

Le télescope spatial James Webb de la NASA se prépare à lever la brume entourant Sub-Neptune

Des études détaillées de l’atmosphère fourniront des informations clés sur certaines des planètes les plus courantes – et les plus mystérieuses – connues dans la galaxie.

Les Voie Lactée Plein de planètes mystérieuses plus grandes que la Terre mais un peu plus petites Neptune, courant autour de leurs étoiles plus vite et plus près que Mercure ne tourne autour du soleil. À des années-lumière, obscurcies par la brume ou les nuages, et rien de comparable dans notre propre système solaire, la nature exacte de ces planètes omniprésentes de la taille de Neptune reste un mystère. Qu’ont-ils fait ? Comment se sont-ils formés ? Et que peuvent-ils nous dire sur les planètes et l’évolution des planètes en général ?

Avec sa capacité inégalée à mesurer des différences extrêmement infimes dans la luminosité et la couleur de la faible lumière infrarouge, Nasa‘s Télescope spatial James Webb Destiné à lever la brume entourant la nature et l’origine des types de planètes les plus courants observés dans la Voie lactée.

Comparaison de TOI-421 b et GJ 1214 b avec la Terre et Neptune

Illustration comparant les tailles des exoplanètes sub-Neptune TOI-421 b et GJ 1214 b à la Terre et à Neptune. TOI-421 b et GJ 1214 b se situent entre la Terre et Neptune en termes de rayon, de masse et de densité. Les faibles densités de deux exoplanètes suggèrent qu’elles devraient avoir des atmosphères épaisses. Les planètes sont disposées de gauche à droite par ordre croissant de rayon et de masse :
Image de la Terre de l’Observatoire du climat dans l’espace lointain : La Terre est une planète rocheuse avec un rayon moyen d’environ 6370 km, une masse d’environ 6 milliards de milliards de tonnes métriques et une densité de 5,5 fois celle de l’eau.
Illustration de TOI-421b : TOI-421 b est une exoplanète chaude sous-Neptune avec un rayon de 2,68 fois celui de la Terre, une masse 7,2 fois celle de la Terre et une densité de 2,05 fois celle de l’eau.
Illustration de GJ 1214b : GJ 1214 b est une exoplanète chaude sous-Neptune avec un rayon de 2,74 fois celui de la Terre, une masse de 8,2 fois celle de la Terre et une densité de 2,2 fois celle de l’eau.
Image de Neptune de Voyager 2 : Neptune est une géante de glace avec un rayon de 3,88 fois le diamètre de la Terre (ce qui lui donne un volume près de 58 fois la taille de la Terre), une masse 17 fois celle de la Terre et une densité de seulement 1,6 fois celle de l’eau.
L’illustration montre la mesure des planètes en termes de rayon, mais pas l’emplacement dans l’espace ou la distance de leurs étoiles. Alors que la Terre et Neptune orbitent autour du Soleil, TOI-421 b orbite autour d’une étoile semblable au Soleil à environ 244 années-lumière, et GJ 1214 b orbite autour d’une petite étoile naine rouge à environ 48 années-lumière.
Crédit : NASA, ESA, CSA et D. Player (STScI)

Plus de la moitié des systèmes stellaires semblables au soleil étudiés dans la Voie lactée abritent un type mystérieux de planète sans précédent dans notre système solaire.

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Plus grandes que la Terre, plus petites que Neptune et orbitant ses étoiles plus près que Mercure orbite autour du Soleil, ces sous-planètes chaudes à chaudes sont le type de planète le plus couramment observé dans la galaxie. Mais bien que les chercheurs aient pu mesurer les propriétés de base – y compris la taille, la masse et l’orbite – de centaines de ces planètes, leur nature fondamentale reste incertaine.

S’agit-il de boules de roche et de fer denses, semblables à la Terre, recouvertes d’épaisses couches d’hydrogène et d’hélium ? Ou des mélanges moins denses de roche et de glace, entourés d’atmosphères humides riches en eau ? Avec des données limitées et aucune planète de taille et d’orbite similaires dans notre système solaire à utiliser pour la comparaison, ces questions ont été difficiles à répondre.

« Que sont ces planètes ? Comment se forment-elles ? Pourquoi notre système solaire n’en a-t-il pas ? Ce sont des questions fondamentales », explique Jacob Bean, astronome à Université de Chicago Ce qui a conduit à de nombreuses observations des exoplanètes.

L'exoplanète TOI-421 b et son étoile

Illustration de ce à quoi pourrait ressembler une exoplanète TOI-421 b. TOI-421 b est une exoplanète chaude de la taille de Neptune en orbite autour d’une étoile semblable au Soleil à environ 244 années-lumière de la Terre. On pense que TOI-421 b a une atmosphère claire et sans voile. Crédit : NASA, ESA, CSA et D. Player (STScI)

problème de brouillard

La clé pour savoir ce que sont les sous-composants de Neptune et comment ils se sont formés est d’examiner leur atmosphère. Mais obtenir une vue dégagée n’était pas facile.

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La méthode d’analyse la plus efficace planète extrasolaire L’atmosphère est une technique connue sous le nom de spectroscopie de transmission. Lorsqu’une planète passe devant son étoile, certaines des longueurs d’onde (couleurs) de la lumière des étoiles sont filtrées par les gaz de l’atmosphère de la planète. Étant donné que chaque type de gaz a une « signature » unique ou un ensemble de longueurs d’onde qu’il absorbe, il est possible de dire de quoi est faite l’atmosphère en fonction des modèles de spectre de transmission.

Cette technique a été couronnée de succès sur de nombreuses exoplanètes, mais pas pour la plupart des sous-Neptunes. « Il y a eu très peu d’observations atmosphériques de sous-Neptunes », explique Eliza Kimpton de l’Université du Maryland-College Park, spécialisée dans la modélisation théorique des atmosphères des exoplanètes. « Et la plupart d’entre eux n’étaient pas satisfaits parce que les spectres ne révélaient pas grand-chose en termes de caractéristiques spectrales qui nous permettraient d’identifier les gaz dans l’atmosphère. »

TOI-421b. Spectre de transmission simulé d'une exoplanète

TOI-421b spectre de transmission potentielle de Neptune extrasolaire chaud. Le spectre de transmission montre combien la lumière des étoiles à différentes longueurs d’onde (couleurs) est bloquée par l’atmosphère de la planète. Les chercheurs utilisent des modèles informatiques pour prédire à quoi ressembleront les spectres en supposant des conditions atmosphériques raisonnables telles que la température, l’abondance de différents gaz et les types d’aérosols présents. Crédit : NASA, ESA, CSA, Danny Player (STScI), Elisa Kimpton (UMD)

Le problème semble être les aérosols, les particules fines et les gouttelettes qui forment des nuages ​​ou du brouillard. Ces particules diffusent la lumière des étoiles, érodant les pics spectraux proéminents en fines ondulations et rendant le spectre presque inutile en termes de détermination de la composition du gaz.

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Mais avec Webb, les chercheurs sont convaincus qu’une vision beaucoup plus claire de sous-Neptune se profile. Deux programmes d’observation dirigés conjointement par Bean et Kempton et prévus pour la première année d’exploitation de Webb utiliseront les capacités exceptionnellement puissantes de Webb pour explorer deux sous-planètes de la taille de Neptune : GJ 1214 b, le sous-archétype de Neptune ; et TOI-421 b, une découverte plus récente.

Modèle original de Neptune : GJ 1214 B

GJ 1214 b, une quasi-Neptune chaude en orbite autour d’une étoile naine rouge voisine, a fait l’objet de dizaines d’enquêtes. Sa courte période orbitale, sa grande taille par rapport à son étoile et sa proximité relative avec la Terre facilitent (comme le font les exoplanètes) une observation efficace, tandis que son statut de référence pour Neptune – et selon Bean, « l’exoplanète la plus mystérieuse que nous connaissions « … en faire une cible digne. Enquête.

diagramme de courbe de phase extrasolaire

Ce diagramme simplifié d’une courbe de phase d’exoplanète montre le changement de la luminosité totale d’un système stellaire et des planètes lorsque la planète orbite autour de l’étoile. Le système apparaît plus lumineux lorsqu’une plus grande partie du côté éclairé de la planète fait face au télescope (phase complète) et devient plus sombre lorsque le côté sombre fait face au télescope (nouvelle phase). Crédit : NASA, ESA, CSA, Danny Player (STScI)

L’équipe utilisera l’instrument à infrarouge moyen (MIRI) de Webb pour observer le système de GJ 1214 presque en continu pendant près de 50 heures alors que la planète termine un peu plus d’une orbite complète. Ils analyseront ensuite les données de trois manières différentes pour affiner les combinaisons possibles de gaz et d’aérosols qui composent l’atmosphère de GJ 1214 b.

spectroscopie de transmission : Si des molécules telles que l’eau, le méthane ou l’ammoniac sont abondantes, elles devraient être visibles dans le spectre de transmission. La lumière infrarouge moyen ne doit pas être diffusée par les aérosols de la même manière que la lumière visible et proche infrarouge.

Spectromètre d’émission thermique : La lumière infrarouge moyenne émise par la planète elle-même fournira des informations sur la température et la réflexion de la planète, qui sont toutes deux affectées par l’atmosphère. Par exemple, une planète entourée d’une brume sombre, silencieuse et absorbant la lumière serait beaucoup plus chaude qu’une planète couverte de nuages ​​brillants et réfléchissants.

Cartographie de la température de la courbe de phase : Bien que Webb ne puisse pas observer directement GJ 1214 b (la planète est très proche de son étoile), il est suffisamment sensible pour mesurer de très petits changements dans la quantité totale de lumière du système lorsque la planète tourne autour de l’étoile. Les chercheurs utiliseront la courbe de phase GJ 1214 b, qui est un graphique de la luminosité en fonction de la phase (c’est-à-dire quelle partie du côté jour de la planète fait face au télescope) pour cartographier la température moyenne de la planète avec sa longitude. Cela fournira des informations supplémentaires sur la circulation et la composition de l’atmosphère.

Sous-Neptune chaud TOI-421 B

On ne sait pas de quoi sont faits les aérosols entourant les sous-Neptunes chauds tels que GJ 1214 b, mais ils pourraient être similaires à ceux qui forment la brume semblable au smog trouvée sur SaturneLa lune de Titan. Pour tester cette hypothèse, les chercheurs ont décidé de cibler TOI-421 b, une planète similaire en taille et en densité à GJ 1214 b, mais considérée comme trop chaude pour avoir un épais brouillard.

Webb observera TOI-421 b deux fois lorsqu’il passe devant son étoile, une fois en utilisant l’imageur dans le proche infrarouge et le spectrographe à fente (NIRISS) et de nouveau en utilisant le spectromètre dans le proche infrarouge (NIRSpec), pour produire un spectre de transmission complet dans le proche infrarouge à partir du planète. Si l’hypothèse est correcte et que le ciel de TOI-421 b est clair, alors le spectre peut être utilisé pour mesurer l’abondance de molécules telles que l’eau, le méthane et le dioxyde de carbone. S’il s’avère que TOI-421 b a finalement un problème d’aérosols, l’équipe utilisera les données pour mieux comprendre les composants de ces aérosols.

Kempton et Bean sont convaincus qu’en examinant l’atmosphère insaisissable sous-Neptune de différentes manières à l’aide de Webb, les scientifiques commenceront enfin à comprendre non seulement ces deux objets spécifiques, mais toute une classe de planètes.

Les observations MIRI de GJ 1214 b et NIRISS et NIRSpec de TOI-421 b seront chacune menées dans le cadre du programme d’observateurs généraux du cycle 1 de Webb. Les programmes d’observateurs généraux ont été sélectionnés de manière compétitive à l’aide d’un système de double examen anonyme, le même système utilisé pour allouer du temps sur Hubble.

Le télescope spatial James Webb sera le premier observatoire mondial des sciences spatiales lors de son lancement en 2021. Webb résoudra les mystères de notre système solaire, regardera au-delà des mondes lointains autour d’autres étoiles et explorera les structures et les origines mystérieuses de notre univers et notre place là-dedans. Webb est un programme international mené par la NASA et ses partenaires l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’Agence spatiale canadienne.