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Première analyse de l'atmosphère d'une exoplanète depuis le sol

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C'est à la fois un exploit et une première qu'a réalisés une équipe d'astronomes du McDonald Observatory, en analysant l'atmosphère d'une planète extrasolaire non au départ de données obtenues en orbite, mais depuis le sol.

Le Hobby-Eberly Telescope. Crédit : Marty Harris/McDonald Observatory

Cela peut sembler une gageure. Jusqu'à présent, cet exploit n'avait été réalisé qu'une seule fois, au moyen de l'instrument STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph) du télescope spatial Hubble. Mais voilà, l'appareil était définitivement tombé en panne peu après cette détection, contraignant les chercheurs à ne plus compter que sur leurs moyens terrestres.

Aussi, une équipe dirigée par Seth Redfield a-t-elle entrepris d'utiliser le télescope HET (Hobby-Eberly Telescope) de 9,3 mètres à l'Observatoire McDonald pour tenter la première analyse atmosphérique d'une planète extrasolaire.

Seth Redfield. Credit: McDonald Obs.

La candidate était HD189733, une étoile de la constellation du Petit Renard, distante de 63 années-lumière autour de laquelle orbite une planète dite "à transit", c'est-à-dire observable par la méthode du même nom, quand elle réduit légèrement la luminosité de son étoile en passant périodiquement entre elle et nous. Cette planète environ 20 % plus massive que Jupiter a été découverte en 2005 par François Bouchy du Laboratoire d'Astrophysique de Marseille. Cataloguée HD189733b, elle est entourée d'une atmosphère mise en évidence en 2007 par Redfield.

Une méthode (presque) simple…

Dans son principe, la méthode d'approche paraît simple. Lorsque la planète passe devant le disque de son étoile, la lumière que nous recevons de l'astre diminue de 2,5 % par effet d'occultation. L'atmosphère qui l'entoure produit une réduction supplémentaire de 0,3 %. De plus, dans le cas d'une planète sans atmosphère, la réduction d'intensité sera constatée dans toutes les longueurs d'onde de l'étoile. Mais une atmosphère absorbera davantage de radiations dans certaines longueurs d'ondes. On peut donc en déduire des données des informations sur la composition de l'atmosphère.

L'étalonnage du procédé s'est effectué sur le sodium, dont la présence était quasi certaine dans l'atmosphère de la planète. En examinant les variations d'intensité dans la longueur d'onde correspondant aux transitions spécifiques de l'atome de sodium, les chercheurs ont déterminé que la planète apparaissait 6 % plus grande qu'elle ne l'était en réalité.

Spectre d'absorption de l'atmosphère de HD189733, avec le double pic du sodium. Crédit : S. Redfield/T. Jones/McDonald Observatory

Le sodium a été ici privilégié car il présente une transition atomique forte et dans le visible. Son effet semblait accessible aux meilleurs télescopes terrestres. Mais l'équipe n'entend pas en rester là. "Beaucoup d'autres constituants atomiques et moléculaires de l'atmosphère peuvent être étudiés d'une manière identique, y compris le potassium et l'hydrogène" annonce Seth Redfield, qui n'a pas attendu pour franchir l'étape suivante et passer à la détection d'autres constituants de HD189733b.

Cette étude a impliqué plusieurs centaines d'observations durant 11 transits étalés sur une année, effectuées dans des conditions différentes afin de soustraire la contamination provoquée par la vapeur d'eau de notre propre atmosphère.

Des résultats exceptionnels

Dire que les résultats sont encourageants serait bien au-dessous de la vérité, car le spectre de transmission de HD189733b ainsi obtenu s'avère d'une résolution beaucoup plus élevée que celui fourni par le télescope spatial Hubble. "Je ne pensais même pas que ce serait possible", s'enthousiasme Seth Redfield, qui envisage déjà de lancer son équipe sur un vaste projet d'exoplanétologie comparée.

"Il est simplement stupéfiant de constater à quelle vitesse s'accomplissent les progrès dans le domaine des exoplanètes, déclare Michael Endl, un collaborateur de Redfield. Nous en sommes arrivés au point où nous pouvons étudier la composition des atmosphères d'exoplanètes dans le détail. Le HET est à présent devenu non seulement un détecteur d'exoplanètes mais aussi un outil spécialisé dans l'analyse d'atmosphères d'exoplanètes à transit, et cela avec une résolution sans précédent. Je suis impatient de voir les résultats comparatifs avec d'autres planètes extrasolaires".

Avec l'étude détaillée des atmosphères d'exoplanètes, c'est bien une nouvelle branche de l'astronomie qui vient de naître...

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