C’est la première fois que du quartz est identifié dans l’atmosphère d’une exoplanète et c’est le télescope James-Webb qui a permis cette découverte, qui est aussi la première d’une espèce nuageuse spécifique identifiée dans une exoplanète à l’occasion de transits.
Le festival de découvertes avec le télescope spatial James-Webb (JWST) ne déçoit pas, même si malheureusement Hubert Reeves n’est plus parmi nous pour les commenter. Cette fois-ci et comme l’explique un communiqué de la Nasa, le successeur de Hubble a tourné son regard vers WASP-17 b qui est l’une des trois exoplanètes ciblées par le programme de recherches Dreams (Reconnaissance profonde des atmosphères des exoplanètes) qui sont conçues pour rassembler un ensemble complet d’observations d’un représentant de chaque classe clé des exoplanètes : une Jupiter chaude, une Neptune chaude et une planète rocheuse tempérée.
WASP-17 b est une Jupiter chaude, située à environ 1 300 années-lumière de la Terre, et c’est dans l’infrarouge moyen avec l’instrument Miri (L’instrument infrarouge moyen de Webb) que David Grant, chercheur à l’université de Bristol au Royaume-Uni, a fait la découverte avec ses collègues. Découverte publiée dans un article d’Lettres de journaux astrophysiques et que l’on peut lire en accès libre sur arXiv.
“Nous étions ravis ! Nous savions grâce aux observations de Hubble qu’il devait y avoir des aérosols – de minuscules particules constituant des nuages ou de la brume – dans l’atmosphère de WASP-17 b, mais nous ne nous attendions pas à ce qu’ils soient constitués de quartz”, explique l’astrophysicien dans le communiqué de la Nasa.
“Nous nous attendions pleinement à voir des silicates de magnésium. Mais ce que nous voyons à la place sont probablement les éléments constitutifs de ces particules, les minuscules particules de “graines” nécessaires pour former les plus gros grains de silicate que nous détectons dans les exoplanètes plus froides et les naines brunes”, explique à son tour sa collègue et co-auteur de l’article, Hannah Wakeford, également de l’université de Bristol.
Des nuages de silicates polymérisés
En clair, les astrophysiciens ont identifié la signature spectrale de nanocristaux de quartz dans les nuages à haute altitude de WASP-17 b. Rappelons que le quartz, même s’il a comme formule chimique SiO2 fait partie des tectosilicates qui sont des minéraux formés par association de motifs élémentaires tétraédriques [SiO4]4− par tous leurs sommets. Ce sont donc des sortes de grosses molécules polymérisées formant un réseau cristallin.
Ce n’est pas la première fois que l’on détecte de silicates, c’est-à-dire des minéraux riches en silicium et en oxygène, dans des atmosphères d’exoplanètes. Mais il s’agissait de minéraux également riches en magnésium comme l’olivine et le pyroxène. On peut même citer le cas de cristaux d’olivines observés avec le défunt télescope Spitzer dans des exocomètes. On peut même dire que les observations menées depuis des années montrent que les silicates sont très communs dans la Voie lactée et que donc des planètes rocheuses comme la Terre, contenant également beaucoup de silicates, ne doivent pas être une rareté dans le cosmos observable.
Mais c’est la première fois que l’on trouve la signature spectrale de cristaux de quartz, donc un silicate très majoritairement décrit par la formule SiO2. Ce n’est pas le cas avec des cristaux d’olivines comme la forstérite, de formule Mg2SiO4 ou encore la fayalite de formule Fe2SiO4. C’est encore pire avec les pyroxènes, dont l’exemple de l’augite suffit à le montrer comme (Ca,Na)(Mg,Fe,Al)[(Si,Al)O3]2.
Des nuages de quartz découverts lors de transits planétaires
L’analyse de l’atmosphère de la Jupiter chaude a été facilitée par le fait que l’exoplanète a un volume plus de sept fois supérieur à celui de Jupiter malgré une masse inférieure à la moitié. Cela est dû au fait que WASP-17 b est l’une des exoplanètes les plus grandes et les plus gonflées connues du fait de sa proximité à son étoile qui lui donne une température capable de faire fondre certains métaux. L’atmosphère fortement dilatée en fait donc la planète idéale pour la spectroscopie par transmission : une technique qui consiste à mesurer les effets de filtrage et de diffusion de l’atmosphère d’une planète sur la lumière des étoiles, en l’occurrence le soleil de WASP-17 b. Webb a ainsi observé le système WASP-17 pendant près de 10 heures, collectant plus de 1 275 mesures de luminosité de lumière infrarouge moyenne de 5 à 12 microns.
Les méthodes de détection des exoplanètes se sont largement diversifiées depuis les années 1990. Elles peuvent se classer en deux grandes catégories, les méthodes directes et les méthodes indirectes. Les trois méthodes principales sont la méthode directe d’imagerie, la méthode indirecte du transit et la méthode indirecte de la vitesse radiale. Partez à la découverte des exoplanètes à travers notre websérie en neuf épisodes. Une vidéo à retrouver chaque semaine sur notre chaîne YouTube. Une playlist proposée par le CEA et l’université Paris-Saclay dans le cadre du projet de recherche européen H2020 Exoplanets-A.
David Grant explique aussi qu’en ce qui concerne les nanocristaux de quartz du fait que « WASP-17 b est extrêmement chaude – environ 1 500 degrés Celsius – et que la pression à laquelle ils se forment dans l’atmosphère ne représente qu’un millième environ de celle que nous connaissons à la surface de la Terre, ces cristaux solides peuvent se former directement à partir du gaz, sans passer par une phase liquide au préalable ».
Le chercheur ajoute qu’en ce qui concerne les nuages où sont présents ces cristaux dont la quantité exacte est difficile à déterminer, ils « sont probablement présents le long de la transition jour/nuit (le terminateur), qui est la région que nos observations sondent. Les vents pourraient déplacer ces minuscules particules minérales à des milliers de kilomètres par heure ».
On peut également penser que les nuages de nanocristaux circulent autour de la planète, mais se vaporisent lorsqu’ils atteignent le côté jour le plus chaud.
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