Comment James Webb scrute les atmosphères d’exoplanètes lointaines

Hibou Gourou

Nous entrons dans une nouvelle période de l'astronomie des exoplanètes, avec l'annonce récente que le télescope spatial James Webb a détecté sa première exoplanète. La promesse de Webb est qu'il sera capable non seulement de repérer des exoplanètes mais aussi d' étudier leurs atmosphères , ce qui marquerait une avancée majeure dans la science des exoplanètes.

L'étude des exoplanètes est extrêmement difficile car elles sont généralement beaucoup trop éloignées et trop petites pour être observées directement. Très occasionnellement, un télescope est capable d' imager directement une exoplanète , mais la plupart du temps, les chercheurs doivent déduire qu'une planète est présente en regardant l'étoile autour de laquelle elle orbite. Il existe plusieurs méthodes pour détecter les planètes en fonction de leurs effets sur une étoile, mais l'une des plus couramment utilisées est la méthode de transit, dans laquelle un télescope observe une étoile et recherche une très petite baisse de luminosité qui se produit lorsqu'une planète passe entre l'étoile et nous. C'est la méthode utilisée par Webb pour détecter sa première exoplanète, nommée LHS 475 b.

Illustration d'une planète sur fond noir. La planète est grande et rocheuse. Environ les deux tiers de la planète sont éclairés, tandis que le reste est dans l'ombre.
Basée sur de nouvelles preuves du télescope spatial NASA/ESA/CSA James Webb, cette illustration montre l'exoplanète LHS 475 b. Il est rocheux et presque exactement de la même taille que la Terre. La planète tourne autour de son étoile en seulement deux jours, bien plus vite que n'importe quelle planète du système solaire. NASA, ESA, ASC, L. Hustak (STScI)

Le grand objectif, cependant, est que Webb détecte les atmosphères d'exoplanètes. Les chercheurs ont pu recueillir des données sur l'atmosphère de la planète nouvellement détectée et exclure certaines possibilités, mais ils ne sont pas encore en mesure de déterminer la composition exacte de son atmosphère. En effet, aussi difficile que cela puisse être de détecter une exoplanète, étudier son atmosphère l'est encore plus.

Pour ce faire, Webb utilise une méthode appelée spectroscopie de transit. Comme l'utilisation de la méthode des transits pour détecter une exoplanète, l'étude de son atmosphère repose également sur le passage de la planète devant son étoile (appelé transit). Lorsque la planète est devant l'étoile, une petite quantité de lumière provenant de l'étoile traverse l'atmosphère de la planète. Si les scientifiques peuvent affiner cette lumière et la diviser en différentes longueurs d'onde, ils peuvent voir quelles longueurs d'onde manquent – indiquant quelles longueurs d'onde ont été absorbées par quelque chose dans l'atmosphère. Nous savons quels produits chimiques absorbent à quelles longueurs d'onde, donc cette information peut montrer de quoi est composée l'atmosphère.

Cependant, essayer de rassembler des informations à partir d'un spectre de transmission est compliqué car le pourcentage de lumière bloquée est si faible, à environ 0,1% de la luminosité de l'étoile. Et gardez à l'esprit qu'il s'agit d'une étoile située à 41 années-lumière. Si vous regardez le spectre de transmission de la planète récemment détectée , illustré ci-dessous, vous pouvez voir les points de données en blanc.

Ce spectre de transmission de l'exoplanète rocheuse LHS 475 b a été capturé par l'instrument NIRSpec de Webb le 31 août 2022.
Ce spectre de transmission de l'exoplanète rocheuse LHS 475 b a été capturé par l'instrument NIRSpec de Webb le 31 août 2022. Un spectre de transmission est réalisé en comparant la lumière des étoiles filtrée à travers l'atmosphère d'une planète lorsqu'elle se déplace devant l'étoile à la lumière des étoiles non filtrée détectée lorsque le planète est à côté de l'étoile. Chacun des 56 points de données sur ce graphique représente la quantité de lumière que la planète bloque de l'étoile à une longueur d'onde de lumière différente. ILLUSTRATION : NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI) SCIENCES : Kevin B. Stevenson (APL), Jacob A. Lustig-Yaeger (APL), Erin M. May (APL), Guangwei Fu (JHU), Sarah E. Moran (Université de l'Arizona)

Les lignes colorées sont des modèles possibles de ce à quoi pourrait ressembler l'atmosphère, et les chercheurs recherchent la ligne qui correspond le mieux. Dans ce cas, vous pouvez voir que l'atmosphère de méthane, indiquée en vert, n'est clairement pas correcte, c'est ainsi que les chercheurs savent que la planète n'a pas d'atmosphère de méthane. Mais il pourrait n'avoir aucune atmosphère (représentée en jaune, étiquetée comme sans particularité) ou une atmosphère de dioxyde de carbone. Il n'y a pas assez de données pour dire définitivement, bien que les chercheurs prévoient de faire plus d'observations avec Webb plus tard cette année, ce qui devrait leur donner plus de données.

Même si nous ne pouvons pas encore être sûrs de l'atmosphère de cette exoplanète, cette recherche montre comment Webb devrait être capable d'analyser les atmosphères des exoplanètes dans un avenir proche. "Nous sommes à la pointe de l'étude des petites exoplanètes rocheuses", a déclaré le chercheur principal Jacob Lustig-Yaeger du laboratoire de physique appliquée de l'Université Johns Hopkins dans un communiqué . "Nous avons à peine commencé à effleurer la surface de ce à quoi pourraient ressembler leurs atmosphères."