À l'aide du spectropolarimètre SPIRou du télescope Canada-France-Hawaï à Hawaï, une équipe dirigée par Stefan Pelletier, doctorant à l'Institut de recherche sur les exoplanètes (iREx) de l'Université de Montréal, a étudié l'atmosphère de l'exoplanète géante gazeuse Tau Boötis b, un monde brûlant qui ne met que trois jours pour orbiter autour de son étoile hôte.

Leur analyse détaillée, présenté dans un article publié aujourd'hui dans le Journal astronomique , montre que l'atmosphère de la planète gazeuse contient du monoxyde de carbone, comme prévu, mais étonnamment pas d'eau, une molécule que l'on croyait répandue et qui aurait dû être facilement détectable avec SPIRou.

Tau Boötis b est une planète 6,24 fois plus massive que Jupiter et huit fois plus proche de son étoile mère que Mercure ne l'est du Soleil. Situé à seulement 51 années-lumière de la Terre et 40 % plus massif que le Soleil, son étoile, Tau Boötis, est l'une des étoiles porteuses de planètes connues les plus brillantes, et est visible à l'œil nu dans la constellation de Boötes.

Tau Boötis b était l'une des premières exoplanètes jamais découvertes, en 1996, grâce à la méthode de la vitesse radiale, qui détecte le léger mouvement de va-et-vient d'une étoile généré par le remorqueur gravitationnel de sa planète. Son atmosphère avait été étudiée quelques fois auparavant, mais jamais avec un instrument aussi puissant que SPIRou pour révéler son contenu moléculaire.

Recherche d'eau

En supposant que Tau Boötis b se forme dans un disque protoplanétaire avec une composition similaire à celle de notre système solaire, les modèles montrent que la vapeur d'eau devrait être présente en grande quantité dans son atmosphère. Il aurait donc dû être facile à détecter avec un instrument tel que SPIRou.

"Nous nous attendions à une forte détection d'eau, avec peut-être un peu de monoxyde de carbone, " expliqua Pelletier. " Nous étions, cependant, surpris de trouver le contraire :monoxyde de carbone, mais pas d'eau."

L'équipe a travaillé dur pour s'assurer que les résultats ne pouvaient pas être attribués à des problèmes avec l'instrument ou l'analyse des données.

« Une fois que nous nous sommes convaincus que la teneur en eau était bien plus faible que prévu sur Tau Boötis b, nous avons pu commencer à chercher des mécanismes de formation qui pourraient expliquer cela, " dit Pelletier.

Étudier les Jupiters chauds pour mieux comprendre Jupiter et Saturne

"Les Jupiters chauds comme Tau Boötis b offrent une opportunité sans précédent de sonder la formation des planètes géantes", a déclaré le co-auteur Björn Benneke, professeur d'astrophysique et directeur de thèse de Pelletier à l'UdeM. "La composition de la planète donne des indices sur l'endroit et la façon dont cette planète géante s'est formée."

La clé pour révéler l'emplacement et le mécanisme de formation des planètes géantes est imprimée dans leur composition moléculaire atmosphérique. La température extrême des Jupiters chauds permet à la plupart des molécules de leur atmosphère d'être sous forme gazeuse, et donc détectable avec les instruments actuels. Les astronomes peuvent ainsi mesurer avec précision le contenu de leurs atmosphères.

« Dans notre système solaire, Jupiter et Saturne sont vraiment froids, " a déclaré Benneke. " Certaines molécules telles que l'eau sont gelées et cachées profondément dans leurs atmosphères; Donc, nous avons une très mauvaise connaissance de leur abondance. L'étude des Jupiters chauds permet de mieux comprendre nos propres planètes géantes. La faible quantité d'eau sur Tau Boötis b pourrait signifier que notre propre Jupiter est également plus sec que nous ne le pensions auparavant. »

SPIRou :Un instrument unique

Tau Boötis b est l'une des premières planètes étudiées avec le nouvel instrument SPIRou depuis sa mise en service récente au télescope Canada-France-Hawaï. Cet instrument a été développé par des chercheurs de plusieurs institutions scientifiques dont l'UdeM.

"Ce spectropolarimètre peut analyser la lumière thermique de la planète - la lumière émise par la planète elle-même - dans une gamme de couleurs sans précédent, et avec une résolution qui permet l'identification de plusieurs molécules à la fois :eau, monoxyde de carbone, méthane, etc." a déclaré le co-auteur et chercheur iREx Neil Cook, un expert de l'instrument SPIRou.

L'équipe a passé 20 heures à observer l'exoplanète avec SPIRou entre avril 2019 et juin 2020.

"Nous avons mesuré l'abondance de toutes les molécules majeures qui contiennent soit du carbone soit de l'oxygène, " dit Pelletier. " Puisqu'ils sont les deux éléments les plus abondants dans l'univers, après l'hydrogène et l'hélium, cela nous donne une image très complète du contenu de l'atmosphère."

Comme la plupart des planètes, Tau Boötis b ne passe pas devant son étoile car il orbite autour d'elle, du point de vue de la Terre. Cependant, l'étude des atmosphères des exoplanètes s'est principalement limitée aux planètes "en transit" - celles qui provoquent des creux périodiques de la lumière de leur étoile lorsqu'elles obscurcissent une partie de leur lumière.

"C'est la première fois que nous obtenons des mesures aussi précises sur la composition atmosphérique d'une exoplanète non-transitante, " a déclaré Caroline Piaulet, doctorante, un co-auteur de l'étude.

"Ce travail ouvre la porte à l'étude en détail des atmosphères d'un grand nombre d'exoplanètes, même ceux qui ne transitent pas par leur étoile."

Une composition similaire à Jupiter

Par leur analyse, Pelletier et ses collègues ont pu conclure que la composition atmosphérique de Tau Boötis b a environ cinq fois plus de carbone que celle trouvée dans le Soleil, quantités similaires à celles mesurées pour Jupiter.

Cela peut suggérer que les Jupiters chauds pourraient se former beaucoup plus loin de leur étoile hôte, à des distances similaires aux planètes géantes de notre système solaire, et ont simplement connu une évolution différente, qui comprenait une migration vers l'étoile.

"D'après ce que nous avons trouvé pour Tau Boötis b, il semblerait que, au moins au niveau de la composition, Les Jupiters chauds ne sont peut-être pas si différents de nos propres planètes géantes du système solaire après tout, " a conclu Pelletier.