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Comprendre les exoplanètes: percer les mystères des planètes plus chaudes que les étoiles

Jusqu’au début des années 2000, les seules planètes connues se trouvaient dans notre propre quartier, le système solaire. Elles forment globalement deux catégories: les petites planètes rocheuses du système solaire interne et les planètes gazeuses froides situées dans la partie externe. Avec la découverte d’exoplanètes, de planètes en orbite autour d’étoiles autres que le Soleil, des classes supplémentaires de planètes ont été découvertes et une nouvelle image a commencé à émerger. Notre système solaire n’est en aucun cas typique. Par exemple, les données du Mission Kepler a montré que de grandes exoplanètes gazeuses peuvent orbiter très près de leur étoile – plutôt que loin de celle-ci, comme c’est le cas dans notre système solaire, ce qui les amène à atteindre des températures dépassant 1000K (727 ° C). Ceux-ci ont été surnommés les Jupiters «chauds» ou «ultra-chauds». Et alors que la plupart des autres exoplanètes sont plus petites, entre la taille de Neptune et de la Terre, nous ne savons pas grand-chose sur leur composition.

  Comprendre les exoplanètes: percer les mystères des planètes plus chaudes que les étoiles

Cette illustration montre comment la planète KELT-9 b voit son étoile hôte. Au cours d’une seule orbite, la planète subit deux fois des cycles de chauffage et de refroidissement causés par le modèle inhabituel de températures de surface de l’étoile. Ainsi, toutes les 36 heures, KELT-9 b connaît deux étés et deux hivers. Crédit: Centre de vol spatial Goddard de la NASA / Chris Smith (USRA)

Mais comment des planètes chaudes et gazeuses peuvent-elles se former et exister si près de leur étoile? Quels types de processus physiques extrêmes se produisent ici? Les réponses à ces questions ont de grandes implications dans notre compréhension des exoplanètes et des planètes du système solaire. Dans notre récente étude, Publié dans Les lettres du journal astrophysique, nous avons ajouté une autre pièce au puzzle de la formation et de l’évolution des planètes.

Kelt-9 b

L’exoplanète la plus chaude connue à ce jour est Kelt-9 b, qui a été découverte en 2016. Kelt-9 b tourne autour d’une étoile qui est deux fois plus chaude que notre Soleil, à une distance dix fois plus proche que Mercure orbite autour de notre étoile. C’est une grande exoplanète gazeuse, avec un rayon 1,8 fois celui de Jupiter et des températures atteignant 5000K. À titre de comparaison, c’est plus chaud que 80% de toutes les étoiles de l’univers et une température similaire à celle de notre Soleil.

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En substance, les Jupiters chauds sont une fenêtre sur processus physiques et chimiques extrêmes. Ils offrent une opportunité incroyable d’étudier la physique dans des conditions environnementales presque impossibles à reproduire sur Terre. Leur étude améliore notre compréhension des processus chimiques et thermiques, de la dynamique atmosphérique et de la formation des nuages. Comprendre leurs origines peut également nous aider à améliorer la formation planétaire et les modèles d’évolution.

Nous avons encore du mal à expliquer comment les planètes se forment et comment des éléments, tels que l’eau, ont été livrés à notre propre système solaire. Pour le savoir, il faut en savoir plus sur les compositions d’exoplanètes en observant leurs atmosphères.

Observer les atmosphères

Il y en a deux principales méthodes pour étudier les atmosphères des exoplanètes. Dans la méthode de transit, nous pouvons capter la lumière stellaire qui est filtrée à travers l’atmosphère de l’exoplanète lorsqu’elle passe devant son étoile, révélant les empreintes digitales de tous les éléments chimiques qui y existent.

L’autre méthode pour enquêter sur une planète est lors d’une «éclipse» lorsqu’elle passe derrière son étoile hôte. Les planètes émettent et réfléchissent également une petite fraction de lumière, donc en comparant les petits changements de la lumière totale lorsque la planète est cachée et visible, nous pouvons extraire la lumière provenant de la planète.

Les deux types d’observations sont effectuées à des longueurs d’onde ou des couleurs différentes, et comme les éléments chimiques et les composés absorbent et émettent à des longueurs d’onde très spécifiques, un spectre (lumière décomposée par longueur d’onde) peut être produit pour que la planète en déduise la composition de son atmosphère.

Les secrets de Kelt-9 b

Dans notre étude, nous avons utilisé des données accessibles au public, prises par le Le télescope spatial Hubble, pour obtenir le spectre d’éclipse de cette planète.

Nous avons ensuite utilisé un logiciel open source pour extraire la présence de molécules et constaté qu’il y avait beaucoup de métaux (fabriqués à partir de molécules). Cette découverte est intéressante car on pensait auparavant que ces molécules ne seraient pas présentes à des températures aussi extrêmes – elles seraient décomposées en composés plus petits.

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Vue d'artiste de Kelt-9 b en orbite autour de son étoile mère.  NASA / JPL-Caltech

Vue d’artiste de Kelt-9 b en orbite autour de son étoile mère. NASA / JPL-Caltech

Soumis à la forte attraction gravitationnelle de son étoile hôte, Kelt-9 b est «verrouillé», ce qui signifie que la même face de la planète fait face en permanence à l’étoile. Il en résulte une forte différence de température entre les côtés jour et nuit de la planète. Alors que les observations de l’éclipse sondent le côté le plus chaud du jour, nous avons suggéré que les molécules observées pourraient en fait être entraînées par des processus dynamiques depuis les régions plus froides, telles que la nuit, ou plus profondément à l’intérieur de la planète. Ces observations suggèrent que les atmosphères de ces mondes extrêmes sont régies par des processus complexes mal compris.

Kelt-9 b est intéressant en raison de son orbite inclinée d’environ 80 degrés. Cela suggère un passé violent, avec des collisions possibles, ce qui en fait est également observé pour de nombreuses autres planètes de cette classe. Il est très probable que cette planète se soit formée loin de son étoile mère et que les collisions se soient produites lors de sa migration vers l’intérieur vers l’étoile. Cela soutient la théorie selon laquelle les grandes planètes ont tendance à se former loin de leur étoile hôte dans des disques proto-stellaires – qui donnent naissance à des systèmes solaires – capturant des matériaux gazeux et solides lorsqu’ils migrent vers leur étoile.

Mais nous ne savons pas comment cela se produit. Il est donc crucial de caractériser nombre de ces mondes pour confirmer divers scénarios et mieux comprendre leur histoire dans son ensemble.

Missions futures

Des observatoires, tels que le Le télescope spatial Hubble, n’ont pas été conçus pour étudier les atmosphères des exoplanètes. La prochaine génération de télescopes spatiaux, tels que le Télescope spatial James Webb et le Mission Ariel, aura de bien meilleures capacités et des instruments spécialement conçus pour l’observation rigoureuse des atmosphères d’exoplanètes. Ils nous permettront de répondre à de nombreuses questions fondamentales soulevées par la classe des planètes extrêmement chaudes de Jupiter, mais ils ne s’arrêteront pas là.

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Cette nouvelle génération de télescopes sondera également l’atmosphère des petits mondes, catégorie que les instruments actuels peinent à atteindre. En particulier, Ariel, qui devrait être lancé en 2029, observera environ 1000 exoplanètes pour aborder certaines des questions les plus fondamentales de la science des exoplanètes.

Ariel sera également la première mission spatiale à examiner en détail l’atmosphère de ces mondes. Il devrait enfin nous dire de quoi sont faites ces exoplanètes et comment elles se sont formées et évoluées. Ce sera une véritable révolution.La conversation

Quentin Changeat, Chercheur postdoctoral en astronomie, UCL et Billy Edwards, Scientifique du projet de la mission spatiale Twinkle, chercheur en astronomie, UCL

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lisez l’article original.

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