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Le mystère de la masse de l'exoplanète Tau Bootis b est résolu

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C'est probablement la première fois que l'on détermine réellement la masse d'une exoplanète qui n'effectue pas de transits autour de son étoile. Un groupe d'astrophysiciens de l'ESO vient en effet de mesurer précisément la masse de Tau Bootis b à partir d'un raffinement de la méthode des vitesses radiales. Ils ont pu préciser au passage la structure de l'atmosphère de cette Jupiter chaude.

Cette image à grand champ du ciel autour de Tau Bootis a été créée à partir de clichés du Digitized Sky Survey 2. L'étoile elle-même, suffisamment brillante pour être vue à l'œil nu, se trouve au centre. Les traits fins et les cercles colorés autour d'elle sont des artefacts provoqués par le télescope et la plaque photographique utilisée et ne sont pas réels. L'exoplanète Tau Bootis b est en orbite à faible distance de l'étoile et est totalement invisible sur cette image. La planète vient juste d'être détectée de manière directe grâce à sa propre lumière en utilisant le VLT de l'ESO. © ESO/Digitized Sky Survey 2

Tau Bootis b est une exoplanète en orbite autour d'une étoile située à environ 50 années-lumière dans la constellation du Bouvier. Elle a été repérée en 1996 ce qui fait d'elle l'une des plus anciennes exoplanètes découvertes en utilisant la méthode des vitesses radiales. On savait déjà à cette époque qu'elle orbitait en seulement 3,3 jours autour de son étoile et que sa température de surface devait atteindre les 1.500 °C. Mais s'agissait-il d'une superterre ou d'une géante gazeuse ?

Cette vue d'artiste montre l'exoplanète Tau Bootis b, l'une des premières exoplanètes découvertes, en 1996. Elle est toujours parmi les exoplanètes les plus proches de la Terre connues à ce jour. © ESO/L. Calçada

Le problème de la méthode des vitesses radiales est qu'elle ne donne qu'une estimation de la masse d'une planète à un facteur près dépendant de l'inclinaison de la normale du plan de l'orbite par rapport à la ligne de visée d'un observateur. Lorsque l'exoplanète effectue en plus un transit, on sait que cette inclinaison est proche de 90 ° et l'on obtient une bonne précision sur sa masse. Comme la méthode du transit planétaire permet aussi de déterminer un rayon, on peut déduire la densité de l'exoplanète. Mais les transits sont rares, si bien que bon nombre des masses des plus de 750 exoplanètes connues à ce jour ne sont données qu'à titre de masses minimales.


Cette séquence de zooms commence par une vue grand champ de la constellation du Bouvier et des environs de l'étoile Tau Bootis, visible à l'œil nu comme un point de lumière quelconque dans la partie australe de la constellation. Cette étoile abrite une des exoplanètes les plus proches de la Terre et l'une des premières à avoir été détectées, en 1996. © ESO/A. Fujii/Digitized Sky Survey 2. Musique : Disasterpeace/YouTube

La méthode des transits a un autre avantage, elle permet d'analyser l'atmosphère d'une exoplanète. En effet, lors d'une éclipse de l'étoile, l'absorption de sa lumière par l'atmosphère de la planète dépend de sa composition et de sa structure. On aimerait donc disposer de méthodes pour estimer la masse et la composition chimique d'une exoplanète même lorsqu'elle n'effectue pas de transit.

C'est probablement un préalable important si l'on veut découvrir rapidement d'ici 10 ans des biosignatures trahissant la présence de la vie sur une superterre proche du Soleil. On étudie par exemple des instruments capables de faire de la spectropolarimétrie.


Cette vidéo basée sur une vue d'artiste montre l'exoplanète Tau Bootis b. Avec le VLT de l'ESO, des astronomes ont réussi pour la première fois à capturer et à étudier la faible lumière provenant de la planète Tau Bootis b. En utilisant une astuce d'observation ingénieuse, l'équipe a trouvé que l'atmosphère de la planète semble être plus froide dans sa partie supérieure, à l'inverse de ce qui était attendu. © ESO/L. Calçada/YouTube

Dans le cas de Tau Bootis b, un article publié dans Nature, et dont une version en libre d'accès existe sur arxiv, explique une autre technique qui a donc permis à des astrophysiciens de l'ESO de lever l'incertitude sur la masse et donc la nature de cette exoplanète.

Un jour, des biosignatures détectées au sol ?

En utilisant Crires, un instrument équipant le VLT à l'observatoire de Paranal de l'ESO au Chili, les chercheurs ont obtenu des observations en infrarouge de grande qualité (à des longueurs d'onde autour de 2,3 microns) concernant plusieurs raies d'absorption de la molécule de monoxyde de carbone présentes dans l'atmosphère de l'exoplanète.

Combinée à une astuce ingénieuse pour extraire le faible signal de la planète, noyé dans celui bien plus fort de l'étoile, une nouvelle méthode d'analyse du signal leur a permis de déterminer non seulement l'inclinaison de l'orbite de l'exoplanète (44°) mais aussi d'obtenir des renseignements sur la structure thermique de son atmosphère. Quant à la masse de Tau Bootis b, on sait maintenant qu'elle est de 6 fois celle de la planète Jupiter. C'est donc bien une Jupiter chaude.

En comparant les observations à des modèles théoriques donnant la température à différentes altitudes dans l'atmosphère de l'exoplanète, les astrophysiciens ont ainsi découvert qu'elle chutait aux altitudes élevées. Un résultat étonnant car dans le cas d'autres exoplanètes de type Jupiter chaudes connues, c'est exactement l'inverse.

Ces progrès sont de bon augure d'après les chercheurs car ils montrent que la spectroscopie de haute résolution effectuée avec des télescopes au sol a un bon potentiel pour l'étude des atmosphères des exoplanètes, même en l'absence de transit. Suivre les changements atmosphériques entre le matin et le soir sur une exoplanète ne serait peut-être pas une utopie. L'un des astrophysiciens n'hésite pas à dire que « cette étude montre l'énorme potentiel des télescopes au sol d'aujourd'hui et de demain, tels que l'E-ELT. Un jour nous pourrons peut-être même trouver la preuve d'une activité biologique sur des planètes semblables à la Terre, de cette manière ».

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