Des vents violents transportent l'air chaud et brûlant vers la nuit, où il se refroidit jusqu'à 600°C, permettant aux nuages ​​de se former et de recouvrir tout l'hémisphère. Ces tempêtes altèrent tellement les réactions chimiques que le méthane peut à peine se former, même s'il devrait être abondant dans des conditions plus calmes.

Les Jupiters chauds sont des exoplanètes géantes gazeuses extrêmes qui gravitent autour de leurs étoiles hôtes à proximité immédiate, conduisant à plusieurs propriétés exotiques concernant la température, la densité, la composition, la chimie et la météo. Avec l'avènement de télescopes d'une sensibilité révolutionnaire, tels que le télescope spatial James Webb (JWST), les astronomes ont commencé à étudier leur atmosphère de manière très détaillée.

Une collaboration internationale d'astronomes, l'équipe JWST Transiting Exoplanet Early Release Science (JTEC-ERS), a observé le chaud Jupiter WASP-43b avec l'instrument infrarouge moyen (MIRI) du JWST pour étudier son climat.

Les résultats de cette enquête menée par Taylor J. Bell (BAER Institute and Space Science and Astrobiology Division, NASA Ames Research Center, États-Unis) sont publiés dans Nature Astronomy. .

Un monde extrême qui ne ressemble à rien du système solaire

Le résultat central est une carte décrivant la distribution globale de la température dérivée de la lumière infrarouge émise par WASP-43b en réponse à l'irradiation de son étoile hôte. En couvrant une gamme spectrale sensible aux matériaux chauds, MIRI fonctionne de manière similaire à un thermomètre sans contact utilisé pour mesurer la température corporelle, mais sur de grandes distances, s'élevant à 280 années-lumière pour WASP-43b.

Sur cette carte, les températures mesurées sont comprises entre 600°C et 1250°C. En revanche, en utilisant des observations comparables, Jupiter, la géante gazeuse du système solaire, atteint une température glaciale de -135°C.

Bien que similaire en taille et en masse à Jupiter, il s’agit d’un monde très différent. WASP-43b maintient une orbite exceptionnellement étroite autour de son étoile hôte, WASP-43, parcourant seulement deux diamètres stellaires au-dessus de la surface de l'étoile tout en complétant son orbite en seulement 19,5 heures. La petite séparation a entraîné la synchronisation du jour et de l’année de la planète. En d’autres termes, tourner autour de l’étoile prend le même temps que la planète pour tourner autour de son axe. Par conséquent, l'étoile éclaire et chauffe toujours la même face de la planète.

Les vents transportent l'air vers l'hémisphère opposé, où il se refroidit dans la nuit éternelle. Cependant, sur WASP-43b, ces vents sont extrêmement violents, avec des vitesses atteignant près de 9 000 km/h, ce qui est au-delà de tout ce que nous observons dans le système solaire. En comparaison, même les vents les plus forts de Jupiter ne sont qu'une légère brise.

Vapeur d'eau, nuages ​​de roches liquides et manque surprenant de méthane

"Avec Hubble, nous avons pu clairement voir qu'il y avait de la vapeur d'eau du côté jour. Hubble et Spitzer ont tous deux suggéré qu'il pourrait y avoir des nuages ​​du côté nuit", a expliqué Bell. "Mais nous avions besoin de mesures plus précises de JWST pour vraiment commencer à cartographier la température, la couverture nuageuse, les vents et la composition atmosphérique plus détaillée tout autour de la planète."

Les observations du JWST ont révélé que le contraste de température entre le côté jour et le côté nuit était plus fort que ce à quoi on pourrait s'attendre pour une atmosphère sans nuages. Les calculs du modèle confirment que la face nocturne de la planète est enveloppée d'une épaisse couche de nuages ​​en hauteur dans l'atmosphère, qui bloque une grande partie du rayonnement infrarouge du dessous que nous verrions autrement.

Les types exacts de nuages ​​sont encore inconnus. De toute évidence, il ne s’agira pas de nuages ​​d’eau comme ceux de la Terre, encore moins des nuages ​​d’ammoniac que nous voyons sur Jupiter, car la planète est beaucoup trop chaude pour que l’eau et l’ammoniac se condensent. Au lieu de cela, les nuages ​​​​constitués de roches et de minéraux sont plus susceptibles d’être présents à ces températures. Il faut donc s’attendre à des nuages ​​constitués de gouttelettes de roches liquides. D'un autre côté, le côté jour le plus chaud de WASP-43b semble être sans nuages.

Pour sonder la composition atmosphérique plus en détail, l'équipe a produit des spectres, c'est-à-dire qu'elle a décomposé la lumière infrarouge reçue en minuscules sections de longueur d'onde, semblables à un arc-en-ciel qui révèle les composantes de couleur de la lumière du soleil. Cette méthode leur a permis d'identifier les signatures de composés chimiques individuels qui rayonnent à des longueurs d'onde spécifiques.

En conséquence, les astronomes ont confirmé des mesures antérieures de vapeur d’eau, mais désormais sur la planète entière. Hubble n’a pu étudier que le côté jour, car le côté nuit était trop sombre pour y reconnaître des molécules. JWST, avec sa sensibilité plus élevée, complète désormais le tableau.

De plus, les Jupiters chauds hébergent généralement de grandes quantités d’hydrogène moléculaire et de monoxyde de carbone, qui n’ont pas pu être sondés avec les observations de l’équipe. Cependant, lorsqu’ils sont soumis à la nuit plus fraîche, l’hydrogène et le monoxyde de carbone participent à un ensemble de réactions qui produiraient du méthane et de l’eau. Cependant, MIRI n'a trouvé aucun méthane.

Les astronomes expliquent cette surprise par les énormes vitesses de vent sur WASP-43b. Les partenaires de réaction traversent la nuit la plus fraîche si rapidement qu'il reste peu de temps pour que les réactions chimiques attendues produisent des quantités détectables de méthane. Toute petite fraction de méthane se mélange parfaitement aux autres gaz. Il retrouve rapidement le côté jour, où il est exposé à la chaleur destructrice.

"Grâce à la nouvelle puissance d'observation du JWST, WASP-43b a été dévoilé avec des détails sans précédent", a déclaré Laura Kreidberg, directrice de l'Institut Max Planck d'astronomie (MPIA) à Heidelberg, en Allemagne. Elle est co-auteur de l'article de recherche sous-jacent et explore la planète depuis une décennie.

"Nous voyons un monde complexe et inhospitalier, avec des vents violents, des changements de température massifs et des nuages ​​épars probablement constitués de gouttelettes de roche. WASP-43b rappelle la vaste gamme de climats possibles sur les exoplanètes et les nombreuses façons dont la Terre est spécial."

Observer un carrousel planétaire

WASP-43b a été découvert en 2011 via la méthode de transit. Chaque fois que l'orbite d'une exoplanète est orientée de manière à ce que, de notre point de vue, elle passe devant son étoile hôte, l'occultation bloque une petite partie de la lumière de l'étoile. Ces baisses périodiques de luminosité stellaire sont le signe révélateur d’un objet tournant autour de l’étoile. La forme exacte permet de calculer la taille et l'inclinaison orbitale de la planète.

Les astronomes exploitent un effet secondaire pour étudier la planète en détail. Considérez Vénus changeant son éclairage, ressemblant aux phases lunaires, au cours de son orbite autour du soleil. Les exoplanètes en transit présentent différentes phases d'émission infrarouge à peu près de la même manière, en fonction de la façon dont l'étoile chauffe le côté jour.

L'observation du changement progressif des proportions que nous observons entre les hémisphères chauds et froids donne lieu à un modèle caractéristique de la façon dont la luminosité infrarouge mesurée de la planète varie dans le temps. En analysant ce signal minuscule, appelé courbe de phase, les astronomes reçus de WASP-43b leur ont permis de construire la carte des températures et de localiser les gaz qui composent l'atmosphère de la planète.

L'avenir est lumineux dans l'infrarouge

Une étude de suivi menée par une autre équipe dirigée par Stephan Birkmann, ancien scientifique du MPIA (Agence spatiale européenne, ESA), examinera WASP-43b avec le spectromètre proche infrarouge (NIRSpec) du JWST. Ces mesures seront sensibles au monoxyde de carbone qui devrait être présent dans toute l'atmosphère.

De plus, la couverture étendue des longueurs d'onde améliorera la fidélité de la carte de température MIRI et aidera à étudier plus précisément la répartition et la composition des nuages.