Une équipe internationale de chercheurs a utilisé le télescope spatial James Webb pour mesurer la température de l’exoplanète rocheuse TRAPPIST-1 b.
La mesure est basée sur l’émission thermique de la planète, c’est-à-dire l’énergie thermique émise sous forme de lumière infrarouge détectée par l’instrument MIRI de Webb. Le résultat indique que le côté jour de la planète a une température d’environ 230 degrés Celsius et suggère qu’il n’a pas d’atmosphère significative.
Les recherches ont été menées par l’équipe dirigée par Thomas Greene, astrophysicien au centre de recherche Ames de la NASA.
Il s’agit de la première détection de toute forme de lumière émise par une exoplanète (planète hors de notre système solaire) si petite et si froide. Le résultat est une étape importante pour déterminer si les planètes en orbite autour de petites étoiles actives comme TRAPPIST-1 peuvent maintenir des atmosphères capables de supporter la vie à la surface. Cela augure également de la capacité de Webb et de son instrument MIRI à caractériser des exoplanètes de la taille de la Terre avec des températures tempérées.
Le télescope spatial James Webb (JWST) est le fruit d’une collaboration internationale menée par la NASA, l’ESA et l’ASC, respectivement les agences spatiales américaine, européenne et canadienne.
Début 2017, des astronomes ont signalé la découverte de sept planètes rocheuses en orbite autour d’une étoile naine rouge ultrafroide (ou naine M) à 40 années-lumière de la Terre. Ce qui est remarquable à propos des planètes, c’est leur similitude de taille et de masse avec les planètes rocheuses de notre système solaire. Bien qu’elles orbitent toutes beaucoup plus près de leur étoile que n’importe laquelle de nos planètes en orbite autour du Soleil (elles pourraient toutes s’adapter confortablement à l’orbite de Mercure), elles reçoivent des quantités comparables d’énergie de leur petite étoile.
TRAPPIST-1 b, la planète la plus intérieure, a une distance orbitale d’environ un centième de celle de la Terre et reçoit environ quatre fois la quantité d’énergie que la Terre reçoit du Soleil. Bien qu’elle ne se trouve pas dans la zone habitable du système, les observations de la planète peut fournir des informations importantes sur ses planètes sœurs, ainsi que sur d’autres systèmes nains M.
Le rendu de cet artiste montre à quoi pourrait ressembler l’exoplanète chaude et rocheuse TRAPPIST-1 b. Cette illustration est basée sur de nouvelles données recueillies par l’instrument à infrarouge moyen (MIRI) de Webb, ainsi que sur des observations antérieures d’autres télescopes terrestres et spatiaux. Webb n’a capturé aucune image de cette planète. (Illustration : NASA, ESA, ASC, J. Olmsted (STScI))
“Il y a dix fois plus de ces étoiles dans la Voie lactée que d’étoiles comme le Soleil, et elles sont deux fois plus susceptibles d’avoir des planètes rocheuses que des étoiles comme le Soleil”, a expliqué Greene. “Mais ils sont aussi très actifs : ils sont très brillants quand ils sont jeunes, et ils émettent des fusées éclairantes et des rayons X qui peuvent détruire une atmosphère.”
La co-auteur Elsa Ducrot, du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), qui faisait partie de l’équipe qui a mené des études antérieures sur le système TRAPPIST-1, a ajouté : “Il est plus facile de caractériser les planètes telluriques qui sont en orbite autour d’étoiles plus petites et plus froides. Si l’on veut comprendre l’habitabilité autour des étoiles de type M, le système TRAPPIST-1 est un formidable laboratoire. Ce sont les meilleures cibles dont nous disposons pour observer les atmosphères des planètes rocheuses.”
Les observations précédentes de TRAPPIST-1 b avec les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer n’ont trouvé aucune preuve d’une atmosphère gonflée, mais ils ne pouvaient pas exclure une atmosphère épaisse.
Une façon de réduire l’incertitude est de mesurer la température de la planète. Cette planète a sa rotation synchronisée avec son mouvement autour de son étoile, de telle sorte qu’un côté de la planète fait toujours face à l’étoile et il fait toujours jour dessus, tandis que l’autre côté reste dans l’obscurité permanente, comme l’explique Pierre-Olivier Lagage du CEA, qui est co-auteur de l’étude. Sur une telle planète, avoir une atmosphère permet de redistribuer la chaleur, de sorte que le côté jour sera plus frais que s’il n’y avait pas d’atmosphère.
L’équipe a utilisé une technique appelée photométrie d’éclipse secondaire, dans laquelle MIRI a mesuré le changement de luminosité du système lorsque la planète se déplaçait derrière l’étoile. Bien que TRAPPIST-1 b ne soit pas assez chaud pour émettre sa propre lumière visible, il a une lueur infrarouge. En soustrayant la propre luminosité de l’étoile (pendant l’éclipse secondaire) de la luminosité combinée de l’étoile et de la planète, les chercheurs ont réussi à calculer la quantité de lumière infrarouge émise par la planète.
La détection par Webb d’une éclipse secondaire est en soi une étape majeure. L’étoile observée est plus de 1 000 fois plus brillante que la planète et le changement de luminosité est inférieur à 0,1 %.
“Il y avait aussi une certaine crainte que nous manquions l’éclipse. Toutes les planètes se tirent les unes sur les autres, donc les orbites ne sont pas parfaites”, a déclaré Taylor Bell, chercheur postdoctoral au Bay Area Institute for Environmental Research qui a analysé les données. “Mais c’était tout simplement incroyable : le temps d’éclipse que nous avons vu dans les données correspondait au temps prévu en quelques minutes.”
L’équipe a analysé les données de cinq observations distinctes d’éclipses secondaires. “Nous avons comparé les résultats avec des modèles informatiques qui montraient quelle devrait être la température dans différents scénarios”, a expliqué Ducrot. « Les résultats sont presque parfaitement cohérents avec un corps noir fait de roche nue et sans atmosphère pour faire circuler la chaleur. Nous n’avons pas non plus vu de signe de lumière absorbée par le dioxyde de carbone, ce qui serait évident dans ces mesures.”
Des observations supplémentaires d’éclipses secondaires de TRAPPIST-1 sont actuellement en cours, maintenant qu’ils savent à quel point les données peuvent être bonnes, l’équipe espère capturer plus tard une courbe de phase complète montrant le changement de luminosité sur toute la durée de l’orbite. Cela leur permettra de voir comment la température change du côté jour au côté nuit et de confirmer si oui ou non la planète a une atmosphère.
“Il y avait une cible que je rêvais d’avoir”, a déclaré Lagage, qui a travaillé sur le développement de l’instrument MIRI pendant plus de deux décennies. « Et c’était ça. C’est la première fois que nous pouvons détecter l’émission d’une planète rocheuse et tempérée. C’est une étape très importante dans l’histoire de la découverte d’exoplanètes.” (Source : NASA)
