Une nouvelle ère d’exploration des exoplanètes commence avec une étude « remarquable » du JWST sur WASP

Les études de l'atmosphère d'une exoplanète à l'aide des instruments du télescope spatial James Webb ont révélé la détection de nouvelles molécules et structures nuageuses.

Dans une série d'études réparties dans cinq articles, une grande équipe internationale comprenant des chercheurs de l'Imperial College de Londres a démontré la puissance du télescope spatial James Webb (JWST) pour étudier les exoplanètes.

Le télescope a été utilisé pour étudier l’atmosphère de l’exoplanète WASP-39b, une planète géante gazeuse en orbite autour d’une étoile située à 700 années-lumière. WASP-39b est extrêmement « gonflé » : il a un rayon un peu plus grand que Jupiter, mais moins de la moitié de sa masse. Cela signifie qu’il y a beaucoup d’atmosphère pour que les chercheurs étudient.

Le JWST, lancé le jour de Noël 2021, effectue de l'astronomie infrarouge et succède au télescope spatial Hubble. Il transporte plusieurs types d'instruments de détection, notamment le spectrographe proche infrarouge (NIRSpec), la caméra proche infrarouge (NIRCam) et l'imageur proche infrarouge et le spectrographe sans fente (NIRISS), qui ont été utilisés pour les nouvelles études.

Les mesures de WASP-39b sont prises lorsque la planète passe devant son étoile, la lumière des étoiles brillant à travers son atmosphère fournissant aux instruments de nombreux détails sur la composition chimique et la structure de l'atmosphère.

En août 2022, il a été annoncé que l'un des instruments avait détecté du dioxyde de carbone dans l'atmosphère de WASP-39b, c'était la première fois que cette molécule était détectée dans l'atmosphère d'une exoplanète. Les nouvelles données, provenant de toute une série d'instruments, révèlent également la première détection de monoxyde de carbone dans l'atmosphère de WASP-39b, ainsi que la première détection de dioxyde de soufre dans l'atmosphère d'une exoplanète.

L’équipe a découvert que le dioxyde de soufre est produit par photochimie – des réactions chimiques catalysées par la lumière des étoiles. C'est la première fois qu'un sous-produit photochimique est détecté sur une exoplanète. La photochimie est fondamentale pour la vie sur Terre, depuis la production d’ozone dans la haute atmosphère jusqu’à la photosynthèse des plantes et des algues jusqu’à la production de vitamine D dans notre peau.

Le processus utilisé pour identifier ces nouvelles molécules, aux côtés de l’eau, du sodium et du potassium précédemment découverts, donne également aux chercheurs un premier aperçu des ratios d’abondance des éléments, qui comparent la proportion de deux éléments.

Ces mesures, telles que les rapports carbone/oxygène et potassium/oxygène, peuvent fournir aux chercheurs des informations sur la façon dont la planète s'est formée à partir du disque de gaz et de poussière entourant l'étoile mère dans ses jeunes années.

Les études révèlent également des preuves d'une couverture nuageuse non uniforme dans l'atmosphère de WASP-39b, potentiellement similaire à celle des nuages ​​sur Saturne et Jupiter.

Les nouveaux articles ont été dirigés par les doctorants Zafar Rustamkulov de l'Université Johns Hopkins, Lili Alderson de l'Université de Bristol, Eva-Maria Ahrer de l'Université de Warwick, Adina Feinstein de l'Université de Chicago et Shang-Min Tsai de l'Université de Oxford.

Le Dr James Kirk, du Département de physique de l'Imperial College de Londres, était un membre clé de l'équipe NIRSpec PRISM, fournissant des analyses indépendantes des données à l'aide d'un logiciel qu'il a lui-même écrit.

L'instrument fonctionne en mesurant la luminosité de l'étoile telle qu'elle évolue au fil du temps pendant lequel la planète passe devant elle. Cela donne environ 21 500 mesures sur une période de huit heures. Le logiciel du Dr Kirk adapte ces mesures de luminosité à des modèles planétaires pour générer un spectre lumineux et révéler les atomes et molécules présents dans l'atmosphère de la planète.

Il fut ainsi l'un des premiers à produire des résultats sur la composition atmosphérique de la planète. Il a déclaré : « J'ai été époustouflé lorsque j'ai vu pour la première fois le spectre de la planète. Je savais que nous avions quelque chose de remarquable, en termes de niveau de structure dans le spectre et de précision que nous avions atteint.

« Le niveau de détail fourni par JWST est révolutionnaire. C'est incroyablement excitant de penser que nous ne sommes qu'à l'aube de l'ère JWST.