Les scientifiques ont trouvé les preuves les plus solides à ce jour d'une stratosphère sur une énorme planète en dehors de notre système solaire, avec une atmosphère assez chaude pour faire bouillir le fer.

Une équipe internationale de chercheurs, dirigé par l'Université d'Exeter, a fait la nouvelle découverte en observant des molécules d'eau incandescentes dans l'atmosphère de l'exoplanète WASP-121b avec le télescope spatial Hubble de la NASA.

Afin d'étudier la stratosphère de la géante gazeuse - une couche d'atmosphère où la température augmente avec les altitudes plus élevées - les scientifiques ont utilisé la spectroscopie pour analyser comment la luminosité de la planète changeait à différentes longueurs d'onde de la lumière.

La vapeur d'eau dans l'atmosphère de la planète, par exemple, se comporte de manière prévisible en réponse à différentes longueurs d'onde de la lumière, en fonction de la température de l'eau. À des températures plus fraîches, la vapeur d'eau dans la haute atmosphère de la planète bloque la lumière de longueurs d'onde spécifiques rayonnant des couches plus profondes vers l'espace. Mais à des températures plus élevées, les molécules d'eau dans la haute atmosphère brillent à ces longueurs d'onde à la place.

Le phénomène est similaire à ce qui se passe avec les feux d'artifice, qui tirent leurs couleurs de produits chimiques émettant de la lumière. Lorsque des substances métalliques sont chauffées et vaporisées, leurs électrons se déplacent vers des états d'énergie plus élevés. Selon le matériau, ces électrons émettront de la lumière à des longueurs d'onde spécifiques au fur et à mesure qu'ils perdent de l'énergie :le sodium produit du jaune orangé et le strontium produit du rouge dans ce processus, par exemple.

Les molécules d'eau dans l'atmosphère de WASP-121b émettent de la même manière des radiations lorsqu'elles perdent de l'énergie, mais c'est sous forme de lumière infrarouge, que l'œil humain est incapable de détecter.

La recherche est publiée dans une revue scientifique de premier plan La nature .

"Les modèles théoriques ont suggéré que les stratosphères peuvent définir une classe spéciale d'exoplanètes ultra-chaudes, avec des implications importantes pour la physique et la chimie de l'atmosphère, " a déclaré le Dr Tom Evans, auteur principal et chercheur à l'Université d'Exeter. "Quand nous avons pointé Hubble sur WASP-121b, nous avons vu des molécules d'eau rougeoyantes, ce qui implique que la planète a une forte stratosphère."

WASP-121b, situé à environ 900 années-lumière de la Terre, est une exoplanète géante gazeuse communément appelée « Jupiter chaud », bien qu'avec une masse et un rayon plus grands que Jupiter, le rendant beaucoup plus gonflé. L'exoplanète orbite autour de son étoile hôte tous les 1,3 jours, et se situe à la distance la plus proche possible avant que la gravité de l'étoile ne commence à la déchirer.

Cette proximité signifie également que le haut de l'atmosphère est chauffé à une chaleur fulgurante 2, 500 degrés Celsius - la température à laquelle le fer existe sous forme de gaz plutôt que sous forme solide.

Dans la stratosphère terrestre, l'ozone piège le rayonnement ultraviolet du soleil, ce qui élève la température de cette couche d'atmosphère. D'autres corps du système solaire ont des stratosphères, aussi - le méthane est responsable du chauffage dans les stratosphères de Jupiter et de la lune Titan de Saturne, par exemple. Dans les planètes du système solaire, le changement de température dans une stratosphère est généralement inférieur à 100 degrés Celsius. Cependant, sur WASP-121b, la température dans la stratosphère augmente de 1000 degrés Celsius.

"Nous avons mesuré une forte augmentation de la température de l'atmosphère de WASP-121b à des altitudes plus élevées, mais nous ne savons pas encore ce qui cause cet échauffement dramatique, " dit Nikolay Nikolov, co-auteur et chercheur à l'Université d'Exeter. "Nous espérons résoudre ce mystère avec des observations à venir à d'autres longueurs d'onde."

Les gaz d'oxyde de vanadium et d'oxyde de titane sont des sources de chaleur candidates, car ils absorbent fortement la lumière des étoiles aux longueurs d'onde visibles, similaire au rayonnement UV absorbant l'ozone. Ces composés ne devraient être présents que dans les Jupiters les plus chauds, tels que WASP-121b, car des températures élevées sont nécessaires pour les maintenir à l'état gazeux.

En effet, l'oxyde de vanadium et l'oxyde de titane sont couramment observés chez les naines brunes, « étoiles ratées » qui ont des points communs avec les exoplanètes.

Des recherches antérieures couvrant la dernière décennie ont indiqué des preuves possibles de stratosphères sur d'autres exoplanètes, mais c'est la première fois que des molécules d'eau incandescentes sont détectées, le signal le plus clair à ce jour pour une stratosphère d'exoplanète.

C'est l'un des premiers résultats d'un nouveau programme d'observation mené par une équipe internationale de scientifiques, dirigé par le professeur agrégé David Sing à l'Université d'Exeter et le Dr Mercedes Lopez-Mórales à la Smithsonian Institution. Le programme a reçu 800 heures pour étudier et comparer 20 exoplanètes différentes, représentant l'une des plus grandes allocations de temps pour un seul programme dans les 27 ans d'histoire de Hubble.

"Cette nouvelle recherche est la preuve fumante que les scientifiques recherchaient lorsqu'ils étudiaient les exoplanètes chaudes. Nous avons découvert que cette Jupiter chaude a une stratosphère, une caractéristique commune observée dans la plupart de nos planètes du système solaire. » déclare le professeur David Sing, co-auteur et professeur agrégé d'astrophysique à l'Université d'Exeter.

"C'est une découverte vraiment excitante car nous voyons des différences dramatiques d'une planète à l'autre, ce qui donne des indices précieux pour comprendre comment les planètes se comportent dans différentes conditions, et nous ne faisons qu'effleurer la surface de toutes les nouvelles données Hubble."

Le prochain télescope spatial James Webb de la NASA sera capable de suivre l'atmosphère de planètes comme WASP-121b avec une sensibilité plus élevée que n'importe quel télescope actuellement dans l'espace.

"Cette exoplanète super chaude va être une référence pour nos modèles atmosphériques, et sera une excellente cible d'observation pour entrer dans l'ère Webb, " a déclaré Hannah Wakeford, co-auteur et chercheur à l'Université d'Exeter.