Le télescope James-Webb révèle des nuages de quartz dans l'atmosphère d'une exoplanète

Le festival de découvertes avec le télescope spatial James-Webb (JWST) ne déçoit pas, même si malheureusement Hubert Reeves n'est plus parmi nous pour les commenter. Cette fois-ci et comme l'explique un communiqué de la Nasa, le successeur de Hubble a tourné son regard vers WASP-17 b qui est l'une des trois exoplanètes ciblées par le programme de recherches Dreams (Deep Reconnaissance of Exoplanet Atmospheres) qui sont conçues pour rassembler un ensemble complet d'observations d'un représentant de chaque classe clé des exoplanètes : une Jupiter chaudeJupiter chaude, une NeptuneNeptune chaude et une planète rocheuseplanète rocheuse tempérée.

WASP-17 b est une Jupiter chaude, située à environ 1 300 années-lumière de la Terre, et c'est dans l'infrarouge moyen avec l'instrument MiriMiri (Webb's Mid-Infrared Instrument) que David Grant, chercheur à l'université de Bristol au Royaume-Uni, a fait la découverte avec ses collègues. Découverte publiée dans un article d'Astrophysical Journal Letters et que l'on peut lire en accès libre sur arXiv.

« Nous étions ravis ! Nous savions grâce aux observations de Hubble qu'il devait y avoir des aérosolsaérosols - de minuscules particules constituant des nuagesnuages ou de la brumebrume - dans l'atmosphèreatmosphère de WASP-17 b, mais nous ne nous attendions pas à ce qu'ils soient constitués de quartzquartz », explique l'astrophysicienastrophysicien dans le communiqué de la Nasa.

« Nous nous attendions pleinement à voir des silicatessilicates de magnésiummagnésium. Mais ce que nous voyons à la place sont probablement les éléments constitutifs de ces particules, les minuscules particules de "graines" nécessaires pour former les plus gros grains de silicate que nous détectons dans les exoplanètes plus froides et les naines brunesnaines brunes », explique à son tour sa collègue et co-auteur de l'article, Hannah Wakeford, également de l'université de Bristol.

Cette vue d'artiste montre à quoi pourrait ressembler l'exoplanète WASP-17 b, également appelée Ditsǒ, une géante de gaz chaude qui orbite autour de son étoile à une distance de seulement 0,051 UA, soit un huitième de la distance entre Mercure et le Soleil, effectuant un tour complet en environ 3,7 jours terrestres. L'étoile WASP-17 (également appelée Diwö) est une étoile de type F : légèrement plus grande, plus massive, plus chaude et plus blanche que le Soleil dans la constellation du Scorpion. WASP-17 b est en rotation synchrone autour de cette étoile en raison des forces de marée et a une orbite rétrograde. Sa température varie d'environ 1 000 kelvins du côté nocturne le plus frais à près de 2 000 kelvins du côté de la lumière du jour permanente. L’atmosphère de WASP-17 b est composée principalement d’hydrogène et d’hélium, ainsi que de petites quantités de vapeur d’eau et des notes de dioxyde de carbone et d’autres molécules. © Nasa, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Des nuages de silicates polymérisés

En clair, les astrophysiciens ont identifié la signature spectrale de nanocristaux de quartz dans les nuages ​​à haute altitude de WASP-17 b. Rappelons que le quartz, même s'il a comme formule chimique SiO₂, fait partie des tectosilicatestectosilicates qui sont des minérauxminéraux formés par association de motifs élémentaires tétraédriques [SiO₄]⁴⁻ par tous leurs sommets. Ce sont donc des sortes de grosses moléculesmolécules polymérisées formant un réseau cristallinréseau cristallin.

Ce n'est pas la première fois que l'on détecte de silicates, c'est-à-dire des minéraux riches en siliciumsilicium et en oxygèneoxygène, dans des atmosphères d'exoplanètes. Mais il s'agissait de minéraux également riches en magnésium comme l'olivineolivine et le pyroxènepyroxène. On peut même citer le cas de cristaux d'olivines observés avec le défunt télescope Spitzer dans des exocomètes. On peut même dire que les observations menées depuis des années montrent que les silicates sont très communs dans la Voie lactéeVoie lactée et que donc des planètes rocheuses comme la Terre, contenant également beaucoup de silicates, ne doivent pas être une rareté dans le cosmoscosmos observable.

Mais c'est la première fois que l'on trouve la signature spectrale de cristaux de quartz, donc un silicate très majoritairement décrit par la formule SiO₂. Ce n'est pas le cas avec des cristaux d'olivines comme la forstérite, de formule Mg₂SiO₄  ou encore la fayalitefayalite de formule Fe₂SiO₄. C'est encore pire avec les pyroxènes, dont l'exemple de l'augite suffit à le montrer comme (Ca,Na)(Mg,Fe,Al)[(Si,Al)O₃]₂.

Un spectre de transmission de l’exoplanète géante de gaz chauds WASP-17 b révèle la première preuve de la présence de quartz dans les nuages d’une exoplanète. Le spectre a été réalisé en mesurant le changement de luminosité de 28 bandes de longueurs d'onde de lumière infrarouge moyen lorsque la planète transitait devant son étoile. Pour chaque longueur d’onde, la quantité de lumière bloquée par l’atmosphère de la planète (cercles blancs) a été calculée en soustrayant la quantité qui a traversé l’atmosphère de la quantité initialement émise par l’étoile. La ligne violette continue est le modèle le mieux adapté aux données. Le spectre montre une caractéristique claire autour de 8,6 microns, qui, selon les astronomes, est causée par des particules de silice absorbant une partie de la lumière des étoiles traversant l'atmosphère. La ligne jaune pointillée montre à quoi ressemblerait cette partie du spectre de transmission si les nuages ​​dans l’atmosphère de WASP-17 b ne contenaient pas de SiO₂. © Nasa, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Des nuages de quartz découverts lors de transits planétaires

L'analyse de l'atmosphère de la Jupiter chaude a été facilitée par le fait que l'exoplanète a un volumevolume plus de sept fois supérieur à celui de Jupiter malgré une massemasse inférieure à la moitié. Cela est dû au fait que WASP-17 b est l'une des exoplanètes les plus grandes et les plus gonflées connues du fait de sa proximité à son étoileétoile qui lui donne une température capable de faire fondre certains métauxmétaux. L'atmosphère fortement dilatée en fait donc la planète idéale pour la spectroscopie par transmission : une technique qui consiste à mesurer les effets de filtrage et de diffusiondiffusion de l'atmosphère d'une planète sur la lumière des étoiles, en l'occurrence le soleilsoleil de WASP-17 b. Webb a ainsi observé le système WASP-17 pendant près de 10 heures, collectant plus de 1 275 mesures de luminositéluminosité de lumière infrarouge moyenne de 5 à 12 micronsmicrons.

David Grant explique aussi qu'en ce qui concerne les nanocristaux de quartz du fait que « WASP-17 b est extrêmement chaude - environ 1 500 degrés Celsiusdegrés Celsius - et que la pressionpression à laquelle ils se forment dans l'atmosphère ne représente qu'un millième environ de celle que nous connaissons à la surface de la Terre, ces cristaux solidessolides peuvent se former directement à partir du gazgaz, sans passer par une phase liquideliquide au préalable ».

Le chercheur ajoute qu'en ce qui concerne les nuages où sont présents ces cristaux dont la quantité exacte est difficile à déterminer, ils « sont probablement présents le long de la transition jour/nuit (le terminateurterminateur), qui est la région que nos observations sondent. Les ventsvents pourraient déplacer ces minuscules particules minérales à des milliers de kilomètres par heure ».

On peut également penser que les nuages de nanocristaux circulent autour de la planète, mais se vaporisent lorsqu'ils atteignent le côté jour le plus chaud.