L'étude des planètes extrasolaires a vraiment explosé ces dernières années. Actuellement, les astronomes ont pu confirmer l'existence de 4 104 planètes au-delà de notre système solaire, avec 4900 autres en attente de confirmation. L'étude de ces nombreuses planètes a révélé des choses sur la gamme de planètes possibles dans notre univers et nous a appris qu'il y en a beaucoup pour lesquelles il n'y a pas d'analogues dans notre système solaire.
Par exemple, grâce aux nouvelles données obtenues par le Le télescope spatial Hubble, les astronomes en ont appris plus sur une nouvelle classe d'exoplanètes appelées planètes «super-bouffées». Les planètes de cette classe sont essentiellement de jeunes géantes gazeuses de taille comparable à Jupiter mais dont les masses sont juste quelques fois supérieures à celle de la Terre. Il en résulte que leurs atmosphères ont la densité de barbe à papa, d'où le surnom délicieux!
Les seuls exemples connus de cette planète résident dans le système Kepler 51, une jeune étoile semblable au Soleil située à environ 2 615 années-lumière dans la constellation du Cygne. Dans ce système, trois exoplanètes ont été confirmées (Kepler-51 b, c et d) qui ont été détectées pour la première fois Télescope spatial Kepler en 2012. Cependant, ce n'est qu'en 2014 que la densité de ces planètes s'est confirmée, et cela a été une surprise.
Bien que ces géantes gazeuses aient des atmosphères composées d'hydrogène et d'hélium et soient à peu près de la même taille que Jupiter, elles sont également environ cent fois plus légères en termes de masse. Comment et pourquoi leurs atmosphères gonfleraient comme cela reste un mystère, mais le fait demeure que la nature de leurs atmosphères fait des planètes super-bouffées un candidat de choix pour l'analyse atmosphérique.
C'est précisément ce qu'une équipe internationale d'astronomes - dirigée par Jessica Libby-Roberts du Center for Astrophysics and Space Astronomy (CASA) de l'Université du Colorado à Boulder - a cherché à faire. Utilisation des données de Hubble, Libby-Roberts et son équipe ont analysé les spectres obtenus à partir des atmosphères de Kepler-51 b et d pour voir quels composants (y compris l'eau) étaient là.
Alors que ces planètes passaient devant leur étoile, la lumière absorbée par leur atmosphère a été examinée dans la longueur d'onde infrarouge. À la surprise de l’équipe, ils ont découvert que les spectres des deux planètes n’avaient aucune signature chimique révélatrice. Ils ont attribué cela à la présence de nuages de cristaux de sel ou de brouillards photochimiques dans leurs atmosphères.
À ce titre, l'équipe s'est appuyée sur des simulations informatiques et d'autres outils pour théoriser que les planètes Kepler-51 sont principalement de l'hydrogène et de l'hélium en masse, qui est recouvert d'une épaisse brume composée de méthane. Ceci est similaire à ce qui se passe dans l'atmosphère de Titan (la plus grande lune de Saturne), où l'atmosphère principalement azotée contient des nuages de méthane qui obscurcissent la surface.
"C'était complètement inattendu", a déclaré Libby-Roberts. «Nous avions prévu d'observer de grandes caractéristiques d'absorption d'eau, mais elles n'étaient tout simplement pas là. Nous avons été opacifiés! » Cependant, ces nuages ont fourni à l'équipe des informations précieuses sur la façon dont Kepler-51 b et d se comparent à d'autres exoplanètes riches en gaz de faible masse observées par les astronomes. Comme l'explique Libby-Roberts dans un communiqué de presse de CU Boulder:
«Nous savions qu'ils étaient de faible densité. Mais quand vous imaginez une boule de barbe à papa de la taille de Jupiter - c'est une densité vraiment faible… Cela nous a définitivement envoyé se démener pour trouver ce qui pourrait se passer ici. Nous nous attendions à trouver de l'eau, mais nous n'avons pu observer les signatures d'aucune molécule. »
L'équipe a également pu mieux limiter la taille et la masse de ces planètes en mesurant leurs effets temporels. Dans tous les systèmes, de légers changements se produisent dans la période orbitale d'une planète en raison de leur attraction gravitationnelle, qui peut être utilisée pour dériver la masse d'une planète. Les résultats de l'équipe concordaient avec les estimations précédentes pour Kepler-51 b tandis que les estimations pour Kepler-51 d indiquaient qu'il était légèrement moins massif (aka. Puffier) qu'on ne le pensait auparavant.
L'équipe a également comparé les spectres des deux super-bouffées à ceux d'autres planètes et a obtenu des résultats indiquant que la formation de nuages / brume est liée à la température d'une planète. Cela soutient l'hypothèse que plus la planète est froide, plus elle sera nuageuse, ce que les astronomes ont réfléchi grâce à la récente vague de découvertes d'exoplanètes.
Enfin et surtout, l'équipe a observé que les Kepler-51 b et d semblent perdre rapidement du gaz. En fait, l'équipe estime que l'ancienne planète (qui est la plus proche de son étoile parente) jette des dizaines de milliards de tonnes de matière dans l'espace chaque seconde. Si cette tendance se poursuit, les planètes se rétréciront considérablement au cours des prochains milliards d'années et pourraient devenir des mini-Neptunes.
À cet égard, cela suggérerait que les exoplanètes ne sont pas si rares après tout, étant donné que les mini-Neptunes semblent être très communs. Cela suggère également que les faibles densités des planètes super-bouffées sont attribuées à l'âge du système. Alors que le système solaire a environ 4,6 milliards d'années, Kepler-51 existe depuis seulement 500 millions d'années.
Les modèles planétaires utilisés par l'équipe indiquent que les planètes se sont probablement formées au-delà de la ligne de gel Kepler-51s - la frontière au-delà de laquelle les éléments volatils vont geler - puis ont migré vers l'intérieur. Plutôt que d'être des planètes bizarres, alors, Kepler-51 b et d peuvent être les premiers exemples que les astronomes ont vus d'un des types de planètes les plus courants dans notre Univers aux premiers stades de développement.
Comme l'explique Zach Berta-Thompson (professeur adjoint APS et co-auteur de la nouvelle recherche), cela fait de Kepler-51 un «laboratoire unique» pour tester les théories de l'évolution de la planète:
"Ceci est un exemple extrême de ce qui est si cool avec les exoplanètes en général. Ils nous donnent l'occasion d'étudier des mondes très différents du nôtre, mais ils placent également les planètes de notre propre système solaire dans un contexte plus large. »
À l'avenir, le déploiement d'instruments de nouvelle génération comme le Télescope spatial James Webb (JWST) aidera les astronomes à examiner l'atmosphère des planètes Kepler-51 et d'autres super-bouffées. Grâce à la sensibilité du JWST à des longueurs d’ondes infrarouges plus longues, nous pourrons peut-être encore regarder à travers leurs nuages denses et déterminer de quoi sont réellement composées ces planètes «en barbe à papa».
C'est aussi une autre plume dans le bonnet du vénéré Hubble, qui fonctionne en continu depuis une trentaine d'années maintenant (depuis mai 1990) et qui continue de faire la lumière sur les mystères cosmiques! Il est tout à fait approprié qu’elle continue de tirer des conclusions qui feront très prochainement l’objet d’enquêtes James Webb, son successeur spirituel.
L’étude qui détaille les recherches de l’équipe a récemment été publiée en ligne et paraîtra dans The Astrophysical Journal.
