Pourquoi l’exoplanète géante gazeuse chaude WASP-107 b est-elle si gonflée ? Deux équipes indépendantes de chercheurs ont une réponse.
Les données collectées à l'aide du télescope spatial James Webb de la NASA, combinées aux observations antérieures du télescope spatial Hubble de la NASA, montrent étonnamment peu de méthane (CH4 ) dans l'atmosphère de la planète, ce qui indique que l'intérieur de WASP-107 b doit être nettement plus chaud et son noyau beaucoup plus massif qu'on ne l'avait estimé précédemment.
On pense que cette température étonnamment élevée est le résultat du réchauffement des marées provoqué par l'orbite légèrement non circulaire de la planète, et peut expliquer comment WASP-107 b peut être ainsi gonflé sans recourir à des théories extrêmes sur la façon dont il s'est formé.
Les résultats, rendus possibles par l'extraordinaire sensibilité de Webb et sa capacité à mesurer la lumière traversant l'atmosphère des exoplanètes, pourraient expliquer le gonflement de dizaines d'exoplanètes de faible densité, aidant ainsi à résoudre un mystère de longue date dans la science des exoplanètes.
Avec plus des trois quarts du volume de Jupiter mais moins d'un dixième de sa masse, l'exoplanète « Neptune chaude » WASP-107 b est l'une des planètes les moins denses connues. Bien que les planètes gonflées ne soient pas rares, la plupart sont plus chaudes et plus massives, et donc plus faciles à expliquer.
"Sur la base de son rayon, de sa masse, de son âge et de sa température interne supposée, nous pensions que WASP-107 b avait un très petit noyau rocheux entouré d'une énorme masse d'hydrogène et d'hélium", a expliqué Luis Welbanks de l'Arizona State University (ASU). auteur principal d'un article publié aujourd'hui dans Nature . "Mais il était difficile de comprendre comment un si petit noyau pouvait absorber autant de gaz, sans toutefois parvenir à se développer complètement pour devenir une planète de la masse de Jupiter."
Si WASP-107 b avait plutôt une plus grande partie de sa masse dans le noyau, l'atmosphère aurait dû se contracter à mesure que la planète s'est refroidie au fil du temps depuis sa formation. Sans source de chaleur pour dilater à nouveau le gaz, la planète devrait être beaucoup plus petite. Bien que WASP-107 b ait une distance orbitale de seulement 5 millions de miles (un septième de la distance entre Mercure et le soleil), il ne reçoit pas assez d'énergie de son étoile pour être ainsi gonflé.
"WASP-107 b est une cible très intéressante pour Webb car sa masse est nettement plus froide et plus proche de celle de Neptune que la plupart des autres planètes à faible densité, les Jupiters chauds, que nous avons étudiés", a déclaré David Sing du Johns. Hopkins University (JHU), auteur principal d'une étude parallèle également publiée aujourd'hui dans Nature .
"En conséquence, nous devrions être capables de détecter le méthane et d'autres molécules susceptibles de nous fournir des informations sur sa chimie et sa dynamique interne que nous ne pouvons pas obtenir d'une planète plus chaude."
Le rayon géant de WASP-107 b, son atmosphère étendue et son orbite périphérique le rendent idéal pour la spectroscopie par transmission, une méthode utilisée pour identifier les différents gaz dans l'atmosphère d'une exoplanète en fonction de la façon dont ils affectent la lumière des étoiles.
En combinant les observations de la NIRCam (caméra proche infrarouge) de Webb, du MIRI (instrument infrarouge moyen) de Webb et du WFC3 (caméra grand champ 3) de Hubble, l'équipe de Welbanks a pu construire un large spectre de lumière absorbée de 0,8 à 12,2 microns. par l'atmosphère de WASP-107 b. À l'aide du NIRSpec (spectrographe proche infrarouge) de Webb, l'équipe de Sing a construit un spectre indépendant couvrant 2,7 à 5,2 microns.
La précision des données permet non seulement de détecter, mais de mesurer réellement l'abondance d'une multitude de molécules, dont la vapeur d'eau (H2 O), méthane (CH4 ), dioxyde de carbone (CO2 ), monoxyde de carbone (CO), dioxyde de soufre (SO2 ), et l'ammoniac (NH3 ).
Les deux spectres montrent un manque surprenant de méthane dans l'atmosphère de WASP-107 b :un millième de la quantité attendue sur la base de sa température supposée.
"C'est la preuve que les gaz chauds provenant des profondeurs de la planète doivent se mélanger vigoureusement aux couches plus froides situées plus haut", a expliqué Sing. "Le méthane est instable à haute température. Le fait que nous en ayons détecté si peu, même si nous avons détecté d'autres molécules contenant du carbone, nous indique que l'intérieur de la planète doit être beaucoup plus chaud que nous le pensions."
Une source probable d'énergie interne supplémentaire de WASP-107 b est le réchauffement des marées provoqué par son orbite légèrement elliptique. Avec la distance entre l'étoile et la planète changeant continuellement au cours de l'orbite de 5,7 jours, l'attraction gravitationnelle change également, étirant la planète et la réchauffant.
Les chercheurs avaient précédemment proposé que le réchauffement des marées pourrait être la cause des gonflements du WASP-107 b, mais jusqu'à ce que les résultats de Webb soient disponibles, il n'y avait aucune preuve.
Une fois qu'ils ont établi que la planète possède suffisamment de chaleur interne pour bouleverser complètement l'atmosphère, les équipes ont réalisé que les spectres pourraient également fournir une nouvelle façon d'estimer la taille du noyau.
"Si nous connaissons la quantité d'énergie présente sur la planète et quelle proportion de la planète est constituée d'éléments plus lourds comme le carbone, l'azote, l'oxygène et le soufre, par rapport à la quantité d'hydrogène et d'hélium, nous pouvons calculer la masse qu'elle doit contenir. le noyau", a expliqué Daniel Thorngren de JHU.
Il s'avère que le noyau est au moins deux fois plus massif que ce qui était initialement estimé, ce qui est plus logique en termes de formation des planètes.
Dans l’ensemble, WASP-107 b n’est pas aussi mystérieux qu’il le paraissait autrefois.
"Les données Webb nous indiquent que des planètes comme WASP-107 b n'ont pas dû se former d'une manière étrange avec un noyau très petit et une énorme enveloppe gazeuse", a expliqué Mike Line de l'ASU. "Au lieu de cela, nous pouvons prendre quelque chose de plus comme Neptune, avec beaucoup de roches et moins de gaz, il suffit d'augmenter la température et de la faire monter pour avoir l'apparence qu'elle a."
