Dans la constellation de la Vierge, à 700 années-lumière de la Terre, la planète WASP-39b orbite autour de l'étoile WASP-39. La géante gazeuse, qui met un peu plus de quatre jours pour parcourir une orbite, est l’une des exoplanètes les mieux étudiées. Peu de temps après sa mise en service en juillet 2022, le télescope spatial James Webb de la NASA a tourné son regard de haute précision vers la planète lointaine.
Les données ont révélé la présence de grandes quantités de vapeur d’eau, de méthane et même, pour la première fois, de dioxyde de carbone dans l’atmosphère de WASP-39b. Une sensation mineure, mais il y a encore un problème :les chercheurs ne sont pas encore parvenus à reproduire tous les détails cruciaux des observations dans les calculs sur modèles. Cela fait obstacle à une analyse encore plus précise des données.
Dans la nouvelle étude menée par le MPS, les auteurs, parmi lesquels des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (États-Unis), du Space Telescope Science Institute (États-Unis), de l'Université de Keele (Royaume-Uni) et de l'Université de Heidelberg (Allemagne), montrent un moyen de surmonter cet obstacle.
"Les problèmes posés lors de l'interprétation des données de WASP-39b sont bien connus de nombreuses autres exoplanètes, qu'elles soient observées avec Kepler, TESS, James Webb ou le futur vaisseau spatial PLATO", explique la scientifique MPS, la Dre Nadiia Kostogryz, première auteure. de la nouvelle étude. "Comme pour d'autres étoiles orbitées par des exoplanètes, la courbe de lumière observée de WASP-39 est plus plate que ce que les modèles précédents peuvent expliquer."
Les chercheurs définissent une courbe de lumière comme une mesure de la luminosité d’une étoile sur une période de temps plus longue. La luminosité d’une étoile fluctue constamment, par exemple parce que sa luminosité est soumise à des fluctuations naturelles. Les exoplanètes peuvent également laisser des traces dans la courbe de lumière. Si une exoplanète passe devant son étoile vue par un observateur, elle atténue la lumière de l'étoile.
Cela se reflète dans la courbe de lumière par une baisse de luminosité régulièrement récurrente. Des évaluations précises de ces courbes fournissent des informations sur la taille et la période orbitale de la planète. Les chercheurs peuvent également obtenir des informations sur la composition de l'atmosphère de la planète si la lumière de l'étoile est divisée en différentes longueurs d'onde ou couleurs.
Un examen attentif de la distribution de la luminosité d'une étoile
Le limbe d'une étoile, le bord du disque stellaire, joue un rôle déterminant dans l'interprétation de sa courbe de lumière. Tout comme dans le cas du soleil, le limbe apparaît plus sombre à l'observateur que la zone intérieure. Cependant, l’étoile ne brille pas moins fort plus loin. "Comme l'étoile est une sphère et que sa surface est incurvée, nous observons des couches plus hautes et donc plus froides au niveau du limbe qu'au centre", explique le co-auteur et directeur du MPS, le professeur Laurent Gizon. "Cette zone nous apparaît donc plus sombre", ajoute-t-il.
On sait que l’assombrissement des limbes affecte la forme exacte du signal d’une exoplanète dans la courbe de lumière :l’atténuation détermine la vitesse à laquelle la luminosité d’une étoile diminue pendant un transit planétaire, puis remonte. Cependant, il n’a pas été possible de reproduire avec précision les données d’observation à l’aide de modèles conventionnels de l’atmosphère stellaire. La diminution de la luminosité a toujours été moins brutale que ne le suggéraient les calculs du modèle.
"Il était clair qu'il nous manquait une pièce cruciale du puzzle pour comprendre précisément le signal des exoplanètes", déclare le directeur du MPS, le professeur Sami Solanki, co-auteur de l'étude actuelle.
Comme le montrent les calculs publiés aujourd’hui, la pièce manquante du puzzle est le champ magnétique stellaire. Comme le Soleil, de nombreuses étoiles génèrent un champ magnétique au plus profond de leur intérieur grâce à d’énormes flux de plasma chaud. Pour la première fois, les chercheurs ont pu inclure le champ magnétique dans leurs modèles d'assombrissement des membres.
Ils pourraient montrer que la force du champ magnétique a un effet important :l'assombrissement des limbes est prononcé dans les étoiles à faible champ magnétique, alors qu'il est plus faible dans celles à fort champ magnétique.
Les chercheurs ont également pu prouver que l'écart entre les données d'observation et les calculs du modèle disparaît si le champ magnétique de l'étoile est inclus dans les calculs. À cette fin, l'équipe s'est tournée vers des données sélectionnées du télescope spatial Kepler de la NASA, qui a capturé la lumière de milliers et de milliers d'étoiles de 2009 à 2018.
Dans un premier temps, les scientifiques ont modélisé l’atmosphère des étoiles typiques de Kepler en présence d’un champ magnétique. Dans un deuxième temps, ils ont ensuite généré des données observationnelles « artificielles » à partir de ces calculs. Comme l'a montré une comparaison avec les données réelles, en incluant le champ magnétique, les données Kepler sont reproduites avec succès.
L’équipe a également étendu ses réflexions aux données du télescope spatial James Webb. Le télescope est capable de diviser la lumière des étoiles lointaines en ses différentes longueurs d'onde et ainsi rechercher les signes caractéristiques de certaines molécules dans l'atmosphère des planètes découvertes.
Il s'avère que le champ magnétique de l'étoile mère influence différemment l'assombrissement du limbe stellaire selon les longueurs d'onde et devrait donc être pris en compte dans les évaluations futures afin d'obtenir des résultats encore plus précis.
"Au cours des dernières décennies et années, la manière de progresser dans la recherche sur les exoplanètes a consisté à améliorer le matériel, les télescopes spatiaux, conçus pour rechercher et caractériser de nouveaux mondes. Le télescope spatial James Webb a poussé ce développement vers de nouvelles limites", explique le Dr. . Alexander Shapiro, co-auteur de l'étude actuelle et chef d'un groupe de recherche au MPS. "La prochaine étape consiste maintenant à améliorer et affiner les modèles permettant d'interpréter ces excellentes données", ajoute-t-il.
Pour faire avancer encore ce développement, les chercheurs souhaitent désormais étendre leurs analyses à des étoiles nettement différentes du Soleil. De plus, leurs découvertes offrent la possibilité d'utiliser les courbes de lumière des étoiles avec des exoplanètes pour déduire la force du champ magnétique stellaire, qui est autrement souvent difficile à mesurer.
La recherche est publiée dans la revue Nature Astronomy .
Plus d'informations : Nadiia M. Kostogryz et al, Origine magnétique de la divergence entre les modèles d'assombrissement des membres stellaires et les observations, Nature Astronomy (2024). DOI :10.1038/s41550-024-02252-5
Informations sur le journal : Astronomie de la nature
Fourni par la Société Max Planck
