Une nouvelle catégorie d’exoplanètes est découverte

Une équipe internationale dirigée par un astronome de l’UdeM brosse un portrait plus clair de ce qui pourrait être le type de planètes le plus courant dans l’Univers.

Pour sonder GJ 3470 b, les astronomes ont mesuré les changements de lumière stellaire lorsque la planète passait devant et derrière son étoile. Crédit : NASA, ESA et D.Player.

C’est une tâche colossale qui aura demandé cinq ans et la compilation de nombreux ensembles de données provenant des télescopes spatiaux Hubble et Spitzer de la NASA.

L’équipe dirigée par Björn Benneke, professeur d’astronomie à l’Université de Montréal et membre du Centre de recherche en astrophysique du Québec (CRAQ), a ainsi réussi, pour la première fois, à reconstituer « l’empreinte » de la composition chimique d’une nouvelle catégorie de planètes, différentes de toutes celles de notre système solaire.

Celle que l’équipe du professeur Benneke a étudiée en particulier – décrite dans un article publié dans Nature Astronomy – s’appelle GJ 3470 b.

Il pourrait s’agir d’un croisement entre la Terre et Neptune, avec un vaste noyau rocheux recouvert d’une atmosphère composée d’hydrogène et d’hélium si lourde qu’elle écrase tout ce qui se trouve sous sa surface. La masse de GJ 3470 b est 12,6 fois celle de la Terre, mais inférieure à celle de Neptune, qui est environ 17 fois celle de la Terre.

De nombreuses exoplanètes similaires ont été découvertes par l’observatoire spatial Kepler de la NASA. D’ailleurs, 80 % de celles qui composent notre galaxie sont d’une masse et d’une taille plus ou moins équivalentes. Cela dit, les astronomes ne parvenaient pas à comprendre la nature chimique d’une telle planète – jusqu’à maintenant. C’est en réalisant l’inventaire des composants de l’atmosphère de GJ 3470 b que l’équipe a pu mettre au jour des indices sur la nature et l’origine de cette planète.

« Il s’agit d’une découverte très importante sur la formation des planètes, affirme Björn Benneke, dont l’équipe compte 16 chercheurs aux États-Unis et 1 aux Pays-Bas. GJ 3470 b a une orbite très proche de son étoile et elle est 30 fois moins grosse que Jupiter, mais elle a réussi à agglomérer le même genre d’atmosphère composée d’hydrogène et d’hélium, et ce, quasi sans pollution par des éléments plus lourds. Nous n’avons aucun équivalent de cette planète dans le système solaire et c’est ce qui rend cette découverte saisissante. »

Changements de lumière stellaire

Les observations spectroscopiques sont essentielles à l’étude de l’atmosphère d’un monde comme GJ 3470 b. Pour sonder la planète, les astronomes ont fait appel aux multiples longueurs d’onde offertes par les télescopes Hubble et Spitzer. Ils ont mesuré les changements de lumière stellaire lorsque la planète passait devant son étoile (transit) et derrière son étoile (éclipse). Au total, les deux télescopes spatiaux ont observé 12 transits et 20 éclipses.

« Nous avons pour la première fois une signature spectroscopique d’une planète de ce genre », observe le professeur Benneke, auteur principal de l’étude, qui ajoute que, pour l’instant, son équipe n’a pas encore statué sur la dénomination du type de planète dont fait partie GJ 3470 b et qui pourrait être une « super-Terre », une « sub-Neptune » ou autre chose.

En revanche, l’équipe du professeur Benneke est en mesure de caractériser avec précision l’atmosphère de GJ 3470 b: principalement dégagée, elle est uniquement couverte de brumes légères et transparentes sous une lumière infrarouge, ce qui a permis aux chercheurs de l’examiner en profondeur.

« Nous nous attendions à trouver une atmosphère fortement enrichie en éléments plus lourds comme l’oxygène et le carbone, qui créent beaucoup de vapeur et de méthane, raconte Björn Benneke. Nous avons plutôt découvert une atmosphère si pauvre en éléments lourds que sa composition ressemble à la composition riche en hydrogène et en hélium du Soleil. »

Une planète créée près de son étoile

Pour Björn Benneke, ce nouvel indice laisse penser que, contrairement à d’autres exoplanètes qu’on soupçonne d’avoir migré vers leur étoile de beaucoup plus loin dans la galaxie, GJ 3470 b se serait formée à l’endroit même où elle se trouve.

Pourquoi? Probablement parce que la planète est née dangereusement près de son étoile, une naine rouge. Selon l’hypothèse du professeur Benneke, elle aurait d’abord pris la forme d’une masse rocheuse et sèche d’une fois et demie à deux fois le diamètre de la Terre, puis elle aurait rapidement accrété de l’hydrogène en provenance du disque primordial de gaz entourant son étoile.

« Si la planète s’était formée plus loin de son étoile, où l’eau et les glaces astronomiques peuvent se condenser, nous aurions pu nous attendre à trouver plus d’eau et de méthane dans l’atmosphère », explique le professeur.

« Voilà un objet qui a pu accréter de l’hydrogène du disque protoplanétaire, mais qui ne s’est pas éloigné pour devenir ce que nous appelons un “Jupiter chaud” – c’est intrigant. L’une des explications possibles est que le disque circumstellaire s’est dissipé avant que la planète puisse grossir davantage. Elle est donc demeurée au stade de “sub-Neptune”. »

Bientôt, grâce à sa sensibilité sans précédent au spectre infrarouge, le télescope spatial James-Webb de la NASA sera capable de sonder encore plus profondément l’atmosphère de GJ 3470 b. Il sera ainsi possible d’observer de plus près les transits et les éclipses de la planète avec une précision de trois à cinq micromètres, échelle à laquelle les brumes atmosphériques sont plus transparentes.

À propos de l’étude

L’article « A sub-Neptune exoplanet with a low-metallicity methane-depleted atmosphere and Mie-scattering clouds », de Björn Benneke et ses collaborateurs, a été publié le 1^er juillet 2019 dans Nature Astronomy. Principalement financée par la NASA, cette étude est basée en partie sur les observations réalisées au moyen du télescope spatial Spitzer, exploité par le Jet Propulsion Laboratory du California Institute of Technology en vertu d’un contrat avec la NASA. Le reste du financement provient du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, du Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies et d’autres organismes.

Source :
Jeff Heinrich
Université de Montréal
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