Du dioxyde de carbone détecté dans un monde extraterrestre pour la première fois

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Le dioxyde de carbone (CO2) est une espèce chimique clé qui se trouve dans un large éventail d’atmosphères planétaires. Dans le contexte des exoplanètes, le CO2 est un indicateur de l’enrichissement en métaux (c’est-à-dire en éléments plus lourds que l’hélium, aussi appelé «métallicité»), et donc des processus de formation des atmosphères primaires des géantes gazeuses chaudes. C’est aussi l’une des espèces les plus prometteuses à détecter dans les atmosphères secondaires des exoplanètes terrestres. Les mesures photométriques précédentes des planètes en transit avec le télescope spatial Spitzer ont donné des indices de la présence de CO2, mais n’ont pas donné de détections définitives en raison du manque d’identification spectroscopique sans ambiguïté. A présent, Eva-Maria Ahrer et al. présentent dans une nouvelle étude à paraitre dans Nature, la détection de CO2 dans l’atmosphère de l’exoplanète géante gazeuse WASP-39b à partir d’observations par spectroscopie de transmission obtenues avec James Webb Space Telescope dans le cadre du Early Release Science Program (ERS).


Vue d’artiste de l’exoplanète WASP-39b de la taille de Saturne, à 700 années-lumière de nous. © NASA ; ESA ; ASC ; Joseph Olmsted/STScI.

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Des astronomes ont trouvé du dioxyde de carbone (CO2) dans l’atmosphère d’une planète de la taille de Saturne à 700 années-lumière de nous – la première détection sans ambiguïté du gaz sur une planète au-delà du système solaire. La découverte, faite par le télescope spatial James Webb, fournit des indices sur la formation de la planète. Le résultat montre également à quelle vitesse Webb peut identifier une vague d’autres gaz, tels que le méthane et l’ammoniac, qui pourraient faire allusion à l’habitabilité potentielle d’une planète pour la vie. Webb “inaugure cette nouvelle ère de la science atmosphérique des exoplanètes”, déclare Nikku Madhusudhan de l’Université de Cambridge, qui n’a pas participé à l’étude. Le télescope Webb est sensible aux longueurs d’onde infrarouges de la lumière qui sont principalement bloquées par l’atmosphère terrestre. Il a déjà ébloui les astronomes par sa capacité à mettre en évidence les étoiles et les galaxies les plus éloignées de l’univers.

Mais la sensibilité infrarouge est également essentielle pour les chercheurs qui étudient des mondes beaucoup plus proches de chez eux, dans la Voie lactée. Lorsque l’orbite d’une exoplanète la place devant son étoile, une partie de la lumière des étoiles traverse l’atmosphère de la planète et porte les empreintes digitales de sa composition. Les gaz atmosphériques absorbent des longueurs d’onde spécifiques de la lumière, qui se manifestent par des baisses de luminosité lorsque la lumière des étoiles est étalée dans un spectre. Pour la plupart des gaz d’intérêt, les creux se produisent aux longueurs d’onde infrarouges. Le télescope spatial Hubble et son frère infrarouge, le télescope spatial Spitzer, ont détecté de la vapeur d’eau, du méthane et du monoxyde de carbone autour de quelques exoplanètes géantes chaudes, mais un peu plus.

Webb promet de révéler beaucoup plus de gaz dans des planètes plus petites de la taille de Neptune et potentiellement même des planètes rocheuses de taille similaire à la Terre, bien qu’il soit peu probable qu’il soit en mesure de confirmer l’existence de la vie. Pour ses premières observations d’exoplanètes, les astronomes ont ciblé la géante à gaz chaud WASP-39b, qui orbite autour de son étoile tous les 4 jours sur une orbite beaucoup plus serrée que celle de Mercure. Les premières données ont été prises le 10 juillet et l’équipe a commencé à travailler dessus quelques jours plus tard. Même dans les données brutes basées sur un seul transit à travers l’étoile, la baisse spectrale du CO2 “ressort comme un pouce endolori”, déclare Jacob Bean, membre de l’équipe Webb de l’Université de Chicago. Il y a eu quelques tentatives de détection du gaz auparavant, dit-il, mais aucune d’entre elles n’a résisté à l’examen. Le spectre de Webb était “de la bonne taille, de la bonne forme et dans la bonne position”, explique Bean. “Le CO2 vient de sortir”. Bean et ses collègues ont rapporté les résultats hier sur le serveur de préimpression arXiv et ils apparaîtront dans Nature dans un proche avenir.

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Hubble et Spitzer ont déjà trouvé de la vapeur d’eau, du sodium et du potassium dans l’atmosphère de WASP-39b. Webb a maintenant ajouté du CO2, ainsi qu’un autre gaz dont la signature spectrale était initialement un mystère. Des observations ultérieures ont révélé de quoi il s’agissait, mais Bean n’a rien dit à ce sujet tant que le résultat n’était pas examiné par des pairs. Dans les mois à venir, l’équipe publiera le spectre complet de la planète, de l’optique à l’infrarouge moyen, et «fera un inventaire chimique complet de son atmosphère», déclare Laura Kreidberg, membre de l’équipe de l’Institut Max Planck d’astronomie.

Trouver du CO2 est précieux car c’est un indice de la “métallicité” d’une planète – la proportion d’éléments plus lourds que l’hélium dans sa composition. L’hydrogène et l’hélium produits lors du big bang sont les matières premières de toute la matière visible de l’univers, mais tout ce qui est plus lourd a été forgé plus tard dans les étoiles. Les chercheurs pensent qu’un bon approvisionnement en éléments lourds est crucial pour créer des planètes géantes. Lorsque des planètes se forment à partir d’un disque de matériau autour d’une nouvelle étoile, des éléments plus lourds forment des grains et des cailloux solides qui se fondent en un noyau solide qui est finalement suffisamment massif pour attirer les gaz avec sa propre gravité et se transformer en une géante gazeuse.

À partir du signal CO2 de WASP-39b, l’équipe estime que la métallicité de la planète correspond à peu près à celle de Saturne. Curieusement, WASP-39b a à peu près la même masse que Saturne. Les planètes partagent certains points communs même si elles ont des orbites très différentes, dit Bean. “Pouvons-nous trouver une histoire commune pour ces deux objets?” il dit. “Je ne sais pas encore”. Avec Webb, trouver des produits chimiques importants sera la norme plutôt que l’exception”, déclare Madhusudhan. Il prédit que lorsque Webb commencera à étudier des planètes plus froides plus proches de la Terre, il y aura de vraies surprises – peut-être des gaz qui pourraient indiquer si les planètes sont propices à la vie. “C’est à deviner”, dit-il. “Tout un zoo de produits chimiques est possible”.

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