Résonance scientifique

L’astronomie a fait un bond en avant avec la découverte des exoplanètes, ces mondes orbitant autour d’autres étoiles que notre Soleil. L’une des questions intrigantes dans ce domaine concerne les géantes gazeuses gonflées, dont les propriétés défient les modèles classiques de formation planétaire. Récemment, deux équipes indépendantes ont étudié le cas étrange de l’exoplanète WASP-107b et ont publié leurs recherches dans Nature, utilisant le télescope spatial James Webb et Hubble. Leurs découvertes révèlent des mécanismes internes inattendus, remettant en question les modèles traditionnels. Ces avancées offrent de nouvelles perspectives sur la composition et l’évolution des exoplanètes.

WASP-107 b et son profil atmosphérique inhabituel

L’exoplanète WASP-107b, située à environ 211 années-lumière de la Terre, intrigue les scientifiques par sa faible densité, d’où son surnom de « gonflée ». Avec une masse d’environ un dixième de celle de Jupiter, mais une taille comparable, cette planète présente une densité extrêmement basse, comparable à celle du polystyrène.

Ce phénomène pose un défi aux théories classiques de formation des géantes gazeuses, qui ne prévoyaient pas une telle structure. Si WASP-107 b avait plutôt une plus grande partie de sa masse dans le noyau, l’atmosphère aurait dû se contracter à mesure que la planète s’est refroidie au fil du temps depuis sa formation. Sans source de chaleur pour dilater à nouveau le gaz, la planète devrait être beaucoup plus petite. D’autant que WASP-107 b ne reçoit pas suffisamment d’énergie de son étoile pour être ainsi gonflé.

Grâce à la spectroscopie de transmission, les chercheurs ont analysé la composition chimique de l’atmosphère de WASP-107b. Les observations ont révélé une abondance de molécules contenant du carbone, de l’oxygène, de l’azote et du soufre, mais une quantité infime de méthane. La planète en contient mille fois moins qu’attendu sur la base de sa température et un noyau 12 fois plus massif que celui de la Terre. La presque absence de méthane suggère que l’intérieur de WASP-107b est alors beaucoup plus chaud que prévu.

Le rôle du chauffage par marées pour WASP-107 b

L’un des principaux facteurs expliquant l’état gonflé de WASP-107b est le chauffage par marées. Cette planète suit une orbite excentrique autour de son étoile hôte, provoquant des forces de marée importantes qui génèrent de la chaleur interne. La distance entre l’étoile et la planète changeant continuellement au cours de l’orbite de 5,7 jours, l’attraction gravitationnelle change également, étirant la planète et la réchauffant. Ces forces produisent donc une chaleur suffisante pour maintenir son atmosphère dans un état gonflé, similaire à un ballon sous pression. Cette chaleur interne, combinée à une composition atmosphérique unique, explique la faible densité de WASP-107b.

Ces nouvelles découvertes représentent également le lien le plus clair que les scientifiques ont pu établir entre l’intérieur d’une exoplanète et le sommet de son atmosphère, a déclaré Zafar Rustamkulov, de l’Université Johns Hopkins et co-auteur. Cette chaleur interne intense explique pourquoi des molécules comme le méthane sont absentes. Les observations révèlent également une abondance de molécules contenant du carbone, de l’oxygène, de l’azote et du soufre, renforçant l’idée que l’intérieur de WASP-107b est plus chaud que prévu. Rustamkulov explique : « Cette source de chaleur modifie la chimie des gaz en profondeur, détruisant spécifiquement le méthane et produisant des quantités élevées de dioxyde de carbone et de monoxyde de carbone ».

Des techniques d’observation avancées

Les résultats ont été obtenus grâce aux capacités du télescope James Webb et à l’utilisation complémentaire du télescope spatial Hubble. Le télescope James Webb, avec son spectrographe infrarouge, a permis d’analyser la lumière stellaire filtrée à travers l’atmosphère de WASP-107b. Ce processus, appelé spectroscopie de transmission, a révélé la signature des différentes molécules présentes dans l’atmosphère. Le spectre exoplanétaire obtenu couvre des longueurs d’onde de 0,8 à 12,2 microns, offrant une vue détaillée des composants atmosphériques.

À l’aide du NIRSpec (spectrographe proche infrarouge) de Webb, l’équipe indépendante de Sing a construit un autre spectre couvrant 2,7 à 5,2 microns.

L’usage conjoint de Hubble et Webb a été crucial. Hubble a fourni des données complémentaires dans les longueurs d’onde visibles et proches de l’infrarouge, tandis que Webb a exploré les longueurs d’onde moyennes de l’infrarouge, où les signatures moléculaires sont souvent plus prononcées. Cette combinaison a permis aux scientifiques de détecter des molécules attendues, mais jusqu’alors invisibles, comme les hydrocarbures complexes. Ces observations ont donc révélé une abondance de molécules contenant du carbone, de l’oxygène, de l’azote et du soufre, mais l’absence notable de méthane, suggérant des conditions internes extrêmement chaudes.

Des implications pour la formation des planètes

WASP-107b défie les théories actuelles de la formation planétaire. Les découvertes de Webb pourraient inciter les astronomes à revoir les modèles de formation et d’évolution des planètes géantes. Jusqu’à présent, les théories prédisaient que les géantes gazeuses nécessitent un noyau solide massif pour accumuler de grandes quantités de gaz.

Cependant, WASP-107b, avec son petit noyau et une atmosphère étendue, suggère que des processus différents pourraient être à l’œuvre. « Nous devons envisager que ces planètes peuvent se former plus rapidement et dans des conditions différentes de ce que nous pensions », souligne Elspeth Lee, co-autrice.

« Les données Webb nous apprennent que des planètes comme WASP-107b n’ont pas eu à se former d’une manière étrange avec un très petit noyau et une énorme enveloppe gazeuse », ajoute Mike Line, de l’autre équipe, professeur à l’ASU. Il complète : « Au lieu de cela, nous pouvons prendre quelque chose ressemblant à Neptune, avec beaucoup de roche et pas autant de gaz, il suffit d’augmenter la température et de la faire monter pour avoir l’apparence qu’elle a ».

Dans l’ensemble, la recherche révolutionnaire sur WASP-107b souligne l’importance des efforts de collaboration pour faire progresser notre compréhension des exoplanètes.

Source : Sing, D.K., Rustamkulov, Z., Thorngren, D.P. et al., “A warm Neptune’s methane reveals core mass and vigorous atmospheric mixing”. Nature (2024).

Welbanks, L., Bell, T.J., Beatty, T.G. et al., “A high internal heat flux and large core in a warm neptune exoplanet”. Nature (2024).