Illustration de l'exoplanète 55 Cancri e, une planète rocheuse d'un diamètre presque deux fois supérieur à celui de la Terre en orbite à seulement 0,015 unité astronomique de son étoile semblable au Soleil. En raison de son orbite étroite, la planète est extrêmement chaude, avec des températures diurnes atteignant 4 400 degrés Fahrenheit (environ 2 400 degrés Celsius). Crédit :NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)
Avec ses segments de miroir magnifiquement alignés et ses instruments scientifiques en cours d'étalonnage, le télescope spatial James Webb de la NASA n'est qu'à quelques semaines d'être pleinement opérationnel. Peu de temps après la révélation des premières observations cet été, la science approfondie de Webb commencera.
Parmi les investigations prévues pour la première année figurent les études de deux exoplanètes chaudes classées "super-Terres" pour leur taille et leur composition rocheuse :la 55 Cancri e recouverte de lave et la LHS 3844 b sans air. Les chercheurs formeront les spectrographes de haute précision de Webb sur ces planètes en vue de comprendre la diversité géologique des planètes à travers la galaxie et l'évolution des planètes rocheuses comme la Terre.
Super-terre super chaude 55 Cancri e
55 Cancri e orbite à moins de 2,5 millions de kilomètres de son étoile semblable au soleil (un vingt-cinquième de la distance entre Mercure et le soleil), effectuant un tour en moins de 18 heures. Avec des températures de surface bien au-dessus du point de fusion des minéraux typiques formant des roches, on pense que le côté jour de la planète est recouvert d'océans de lave.
Les planètes qui orbitent aussi près de leur étoile sont supposées être verrouillées par la marée, avec un côté faisant face à l'étoile à tout moment. Par conséquent, le point le plus chaud de la planète devrait être celui qui fait face le plus directement à l'étoile, et la quantité de chaleur provenant du côté jour ne devrait pas beaucoup changer avec le temps.
Mais cela ne semble pas être le cas. Les observations de 55 Cancri e par le télescope spatial Spitzer de la NASA suggèrent que la région la plus chaude est décalée de la partie qui fait face le plus directement à l'étoile, tandis que la quantité totale de chaleur détectée du côté jour varie.
Illustration comparant les exoplanètes rocheuses LHS 3844 b et 55 Cancri e à la Terre et à Neptune. Crédit :NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)
Le 55 Cancri e a-t-il une atmosphère épaisse ?
Une explication de ces observations est que la planète a une atmosphère dynamique qui déplace la chaleur. "55 Cancri e pourrait avoir une atmosphère épaisse dominée par l'oxygène ou l'azote", a expliqué Renyu Hu du Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud, qui dirige une équipe qui utilisera la caméra proche infrarouge (NIRCam) et l'instrument infrarouge moyen (MIRI) de Webb. ) pour capturer le spectre d'émission thermique du côté jour de la planète. "S'il a une atmosphère, [Webb] a la sensibilité et la gamme de longueurs d'onde pour le détecter et déterminer de quoi il est fait", a ajouté Hu.
Ou est-ce qu'il pleut de la lave le soir sur 55 Cancri e ?
Une autre possibilité intrigante, cependant, est que 55 Cancri e ne soit pas verrouillé par marée. Au lieu de cela, cela peut être comme Mercure, tournant trois fois toutes les deux orbites (ce qu'on appelle une résonance 3:2). En conséquence, la planète aurait un cycle jour-nuit.
"Cela pourrait expliquer pourquoi la partie la plus chaude de la planète est déplacée", a expliqué Alexis Brandeker, un chercheur de l'Université de Stockholm qui dirige une autre équipe qui étudie la planète. "Tout comme sur Terre, il faudrait du temps pour que la surface se réchauffe. Le moment le plus chaud de la journée serait l'après-midi, pas juste à midi."
L'équipe de Brandeker prévoit de tester cette hypothèse en utilisant NIRCam pour mesurer la chaleur émise par le côté éclairé de 55 Cancri e au cours de quatre orbites différentes. Si la planète a une résonance de 3:2, ils observeront chaque hémisphère deux fois et devraient pouvoir détecter toute différence entre les hémisphères.
Dans ce scénario, la surface chaufferait, fondrait et même se vaporiserait pendant la journée, formant une atmosphère très fine que Webb pourrait détecter. Le soir, la vapeur se refroidirait et se condenserait pour former des gouttelettes de lave qui retomberaient à la surface, redevenant solides à la tombée de la nuit.
Spectre d'émission thermique possible de l'exoplanète super-Terre chaude LHS 3844 b, tel que mesuré par l'instrument infrarouge moyen de Webb. Un spectre d'émission thermique montre la quantité de lumière de différentes longueurs d'onde infrarouges (couleurs) émise par la planète. Les chercheurs utilisent des modèles informatiques pour prédire à quoi ressemblera le spectre d'émission thermique d'une planète en supposant certaines conditions, telles que l'existence ou non d'une atmosphère et la composition de la surface de la planète. Crédit :NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)
Super-Terre LHS 3844 b un peu plus froide
Alors que 55 Cancri e fournira un aperçu de la géologie exotique d'un monde recouvert de lave, LHS 3844 b offre une occasion unique d'analyser la roche solide à la surface d'une exoplanète.
Comme 55 Cancri e, LHS 3844 b orbite très près de son étoile, effectuant une révolution en 11 heures. Cependant, comme son étoile est relativement petite et froide, la planète n'est pas assez chaude pour que la surface fonde. De plus, les observations de Spitzer indiquent qu'il est très peu probable que la planète ait une atmosphère substantielle.
De quoi est faite la surface du LHS 3844 b ?
Bien que nous ne puissions pas imager la surface de LHS 3844 b directement avec Webb, l'absence d'atmosphère obscurcissante permet d'étudier la surface par spectroscopie.
"Il s'avère que différents types de roches ont des spectres différents", a expliqué Laura Kreidberg de l'Institut Max Planck d'astronomie. "Vous pouvez voir de vos yeux que le granit est de couleur plus claire que le basalte. Il existe des différences similaires dans la lumière infrarouge émise par les roches."
Illustration de l'exoplanète LHS 3844 b, une planète rocheuse d'un diamètre 1,3 fois supérieur à celui de la Terre en orbite à 0,006 unité astronomique de son étoile naine rouge froide. La planète est chaude, avec des températures diurnes calculées supérieures à 1 000 degrés Fahrenheit (supérieures à environ 525 degrés Celsius). Crédit :NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)
L'équipe de Kreidberg utilisera MIRI pour capturer le spectre d'émission thermique du côté jour de LHS 3844 b, puis le comparera aux spectres de roches connues, comme le basalte et le granit, pour déterminer sa composition. Si la planète est volcaniquement active, le spectre pourrait également révéler la présence de traces de gaz volcaniques.
L'importance de ces observations va bien au-delà de seulement deux des plus de 5 000 exoplanètes confirmées dans la galaxie. "Ils nous donneront de nouvelles perspectives fantastiques sur les planètes semblables à la Terre en général, nous aidant à comprendre à quoi ressemblait la Terre primitive quand il faisait chaud comme ces planètes le sont aujourd'hui", a déclaré Kreidberg.
Ces observations de 55 Cancri e et LHS 3844 b seront menées dans le cadre du programme des observateurs généraux du cycle 1 de Webb. Les programmes des observateurs généraux ont été sélectionnés de manière compétitive à l'aide d'un système d'examen à double anonymat, le même système utilisé pour allouer du temps sur Hubble. Lave ou pas, l'exoplanète 55 Cancri e susceptible d'avoir une atmosphère
