Faites connaissance avec WASP-121b, une exoplanète chaude de «heavy metal»

Le concept artistique de WASP-121b, qui orbite si près de son étoile et est si chaud que des gaz de métaux lourds dans son atmosphère s'échappent dans l'espace. Image via VFX de la maison des machines / Centre scientifique At-Bristol / Université d’Exeter / JPL.

Des exoplanètes - des mondes en orbite autour d’autres étoiles - ont été découvertes dans une grande variété de types et de tailles, des plus petits mondes rocheux aux géants de gaz chauds qui gravitent autour de leurs étoiles. On pense à l’expression «musique des sphères», un ancien concept philosophique qui considérait les mouvements du soleil, de la lune et des planètes comme une forme de musique. Alors que cette phrase a tendance à évoquer des mélodies classiques, une exoplanète en particulier semble mieux correspondre au genre heavy metal.

La planète - WASP-121b, une chaude Jupiter à 900 années-lumière de la Terre - orbite si près de son étoile que la haute atmosphère est à 4 600 degrés Fahrenheit (2 500 degrés Celsius). La gravité de son étoile hôte a déformé la planète pour lui donner la forme oblongue d’un ballon de football américain. Découverte pour la première fois en 2015, la planète représente 1, 8 fois la masse de Jupiter.

Le télescope spatial Hubble (HST) a détecté des gaz s'échappant de la planète, des gaz de fer et de magnésium, appelés «métaux lourds». Ces nouveaux résultats examinés par des pairs ont été publiés le 1 er août dans The Astronomical Journal .

Les preuves suggèrent que la basse atmosphère de WASP-121b est tellement chaude que le fer et le magnésium restent à l'état gazeux. Ils affluent vers la haute atmosphère, où ils peuvent s'échapper dans l'espace sous l'effet de l'hydrogène et du gaz hélium. C'est la première fois que de tels gaz s'échappent d'une exoplanète de Jupiter chaude. Comme le dit David Sing, chercheur à la Johns Hopkins University de Baltimore, dans le Maryland:

Des métaux lourds ont déjà été observés dans d’autres Jupiters chauds, mais seulement dans la basse atmosphère. Donc, vous ne savez pas s’ils s’échappent ou non. Avec le WASP-121b, nous voyons le magnésium et le gaz de fer si loin de la planète qu'ils ne sont pas liés par gravitation. Les métaux lourds s'échappent en partie parce que la planète est si grande et gonflée que sa gravité est relativement faible. C'est une planète en train de se dépouiller activement de son atmosphère.

Vues simulées par ordinateur du WASP-121b, à l'aide d'images du télescope spatial Spitzer de la NASA. Image via NASA / JPL-Caltech / Université Aix-Marseille (AMU) / Wikipedia.

Comment se déroule ce processus? Premièrement, l'étoile elle-même est plus chaude que le soleil et la lumière ultraviolette de l'étoile réchauffe la haute atmosphère de la planète. Les gaz de fer et de magnésium qui s'échappent pourraient également contribuer à réchauffer davantage l'atmosphère, selon Sing:

Ces métaux rendront l'atmosphère plus opaque dans l'ultraviolet, ce qui pourrait contribuer au réchauffement de la haute atmosphère.

Non seulement l'atmosphère de la planète est gravement touchée, mais la planète l'est également. En fait, il approche du point où il pourrait être déchiré par la gravité de l'étoile. À l'heure actuelle cependant, il a été étiré dans une forme de football. WASP-121b offre une occasion d'observation rare pour les scientifiques, comme le notait Sing:

Nous avons choisi cette planète parce qu'elle est si extrême. Nous pensions avoir eu la chance de voir des éléments plus lourds s'échapper. Il fait si chaud et si favorable à observer que c’est le meilleur moyen de détecter la présence de métaux lourds. Nous recherchions principalement du magnésium, mais il y a eu des notes de fer dans l'atmosphère d'autres exoplanètes. Ce fut une surprise, cependant, de le voir aussi clairement dans les données et à de si grandes altitudes, si loin de la planète.

Selon Drake Deming, un astronome de l'Université du Maryland:

Cette planète est un prototype pour les Jupiters ultra-chauds. Ces planètes sont si fortement irradiées par leurs étoiles hôtes qu'elles ressemblent presque aux étoiles elles-mêmes. La planète est en train de s'évaporer par son étoile hôte au point que nous pouvons voir des atomes de métal s'échapper de la haute atmosphère où ils peuvent interagir avec le champ magnétique de la planète. Cela offre l’occasion d’observer et de comprendre une physique très intéressante.

Les Jupiters si proches de leur hôte sont très rares. Ceux qui sont si chauds sont encore plus rares encore. Bien qu'ils soient rares, ils se démarquent vraiment une fois que vous les avez trouvés. Nous sommes impatients d’en apprendre encore plus sur cette étrange planète.

Ces observations de WASP-121b font partie de l’enquête «PanCET». Il s'agit de la première étude comparative ultraviolette, visible et infrarouge à grande échelle de 20 exoplanètes différentes, allant de super-Terre (plusieurs fois la masse de la Terre) à Jupiters (plus de 100 fois la masse de la Terre).

WASP-121b est un type d'exoplanète appelée Jupiter chaud, comme le HD 209458b (concept de l'artiste). Image via NASA / ESA / G. Bacon (STScI) / N. Madhusudhan (UC).

En étudiant le WASP-121b et d'autres Jupiters chauds, les scientifiques peuvent en apprendre davantage sur la perte par les planètes de leurs atmosphères primordiales. Les atmosphères des planètes encore en formation tendent à être composées d'hydrogène, d'hélium et de gaz plus légers. Mais ces atmosphères peuvent être supprimées à mesure qu'une planète se rapproche de son étoile. Comme Sing a expliqué:

Les jupiters chauds sont principalement constitués d'hydrogène et Hubble est très sensible à l'hydrogène. Nous savons donc que ces planètes peuvent perdre le gaz relativement facilement. Mais dans le cas du WASP-121b, l’hydrogène et le gaz d’hélium s’écoulent presque comme une rivière et entraînent ces métaux avec eux. C'est un mécanisme très efficace pour la perte de masse.

Le WASP-121b est également une cible idéale pour les futures observations du prochain télescope spatial James Webb, qui pourra examiner l'atmosphère pour détecter la présence d'eau et de dioxyde de carbone et contribuer à une analyse plus complète de tous les éléments chimiques présents dans l'atmosphère. Ces données aideront les scientifiques à mieux comprendre comment se forment des mondes comme celui de Jupiters, ainsi que les systèmes planétaires en général.

Le concept artistique de WASP-121b, que les astronomes décrivent comme une exoplanète de métal lourd. La planète est tellement chaude que des gaz de magnésium et de fer - appelés «métaux lourds», car leur poids atomique est supérieur à celui de l'hydrogène ou de l'hélium - s'échappent de son atmosphère. Pendant ce temps, la gravité de la star hôte tire sur la planète et son atmosphère, la transformant en un ballon de football. Image via NASA / ESA / J. Olmsted (STScI) / Hubblesite.

En résumé: le WASP-121b est une sorte d’exoplanète brûlante de Jupiter, un monde si chaud et si proche de son étoile que des gaz de métaux lourds sont retirés de son atmosphère et que la planète elle-même se transforme en ballon de football.

Source: Programme PanCET du télescope spatial Hubble : Mg II et Fe II exosphériques dans le spectre de transmission quasi ultraviolet de WASP-121b par décorrélation de gigue

Via Hubblesite

Via l'Université du Maryland