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L'exoplanète Kepler-7b abrite des vapeurs... minérales

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Des chercheurs du MIT ont développé une méthode prometteuse pour évaluer la composition et la dynamique de l'atmosphère d'exoplanètes géantes. En étudiant le cas de Kepler-7b, un « Jupiter chaud », l'équipe a comparé les observations réalisées avec le satellite Kepler à des centaines de modèles atmosphériques qu'elle avait développés. Elle y a trouvé des vapeurs minérales d'enstatite. Ce travail marque un pas supplémentaire dans la caractérisation physique des planètes et la détermination de leur habitabilité.

Grâce à leur méthode, des chercheurs du MIT ont pu caractériser les nuages de la géante gazeuse Kepler-7b, constamment orientés vers l’étoile-parent. Les températures élevées (1.400 °C en moyenne) suggèrent l’existence de vapeurs minérales, principalement de l’enstatite. © Nasa, Jose-Luis Olivares, MIT

Notre propre atmosphère est difficile à appréhender dans sa complexité, pourtant, cela n'empêche pas de nombreux astronomes de s'intéresser à ces éléments qui enveloppent d'autres planètes. Depuis la première exoplanète découverte il y a 20 ans (1.894 confirmées actuellement), les chercheurs ont franchi plusieurs étapes significatives dans la caractérisation de ces autres mondes et sont à présent en mesure de pouvoir étudier les éventuelles formations nuageuses de quelques cas.

Kerri Cahoy, professeure adjointe en aéronautique et en astronautique au MIT (États-Unis), a également dirigé une équipe de chercheurs du département des sciences planétaires, de la Terre et de l'atmosphère (EAPS), toujours au MIT. La scientifique est une pionnière dans ce domaine pour ses travaux sur Kepler-7b, un « Jupiter chaud » connu pour arborer des nuages lumineux. Dans un article publié dans The Astrophysical Journal, les chercheurs présentent une technique prometteuse qui permettrait de traduire les différentes propriétés des atmosphères des planètes extrasolaires, qu'elles soient grosses ou plus petites... comme la nôtre.

Le satellite Kepler, à qui l'on doit déjà plus de 1.019 exoplanètes confirmées (et pas moins de 4.178 candidates enregistrées le 5 mars 2015), est un acteur essentiel dans cette quête qui associe différents modèles informatiques. En attendant le lancement de Tess (Transiting Exoplanet Survey Satellite), le télescope spatial qui, dans en premier temps, a épié quelque 145.000 étoiles à dessein de débusquer des planètes en transit (en passant devant leur étoile, les planètes font légèrement baisser la luminosité de l'astre-parent), a repris du service il y a 10 mois — une reconversion réussie suite à quelques péripéties — pour une nouvelle campagne nommée Kepler 2 (K2 mission), laquelle s'annonce tout aussi fructueuse que la précédente.

Bien que 1,5 fois plus grande que notre Jupiter, Kepler-7b ne fait que 0,4 fois sa masse. En orbite synchrone de 4,8 jours autour de son étoile-hôte très proche, ce « Jupiter chaud » arbore des nuages détectés avec le satellite Kepler sur une moitié de sa surface. © Nasa, JPL-Caltech, MIT

Une géante gazeuse entourée de nuages d'enstatite

Pour tenter de déterminer la composition et la structure de l'atmosphère d'une exoplanète, les scientifiques se sont concentrés sur Kepler-7b, une géante gazeuse (0,4 fois la masse de Jupiter) qui gravite très près de son étoile sur une orbite synchrone (à l'instar de la Lune avec la Terre) en 4,8 jours seulement. La température de l'hémisphère orienté vers son soleil avoisine 1.400 °C.

En comparant la luminosité (dans plusieurs longueurs d'onde) des nuages détectés à sa surface avec les différents modèles de températures et de pressions élaborés par l'équipe, celle-ci a pu estimer le profil atmosphérique du « Jupiter chaud ». Une démarche que le jeune chercheur Matthew Webber résume en ces termes : « nous avons utilisé ces modèles atmosphériques pour déterminer comment la lumière pourrait être réfléchie par l'atmosphère de la planète [selon chaque type de nuages] et nous avons essayé de faire correspondre ces possibilités avec les actuelles observations de la mission Kepler. Pour cela, nous avons fait tourner une grande série de modèles [plus de 1.000], pour voir lequel d'entre eux est statistiquement le mieux adapté aux observations ».

Déterminer l'habitabilité des planètes

Pour l'équipe, il apparaît que la partie la plus chaude de la planète, qui regarde continuellement son étoile, présente des nuages composés essentiellement de silicates de magnésium (silicium, oxygène et magnésium) à l'état de vapeur. L'enstatite qui est courant à la surface de notre Planète est transformé par les températures élevées qui règnent sur Kepler-7b en vapeurs propulsées dans son atmosphère. De petits nuages de particules se forment en se refroidissant et se condensant. « Leurs modèles indiquent que les nuages de cette planète sont plus susceptibles d'être formés à partir de roches liquides », note Heather Knutson, professeure adjointe en sciences planétaires à Caltech (institut de Technologie de Californie), qui n'a pas participé à cette étude. « Cela peut paraître exotique, continue-t-elle, mais cette planète est une géante gazeuse grillée gravitant très près de son étoile-hôte et nous pouvions nous attendre que cela puisse avoir l'air différent de notre Jupiter ».

Les observations sont en accord avec les modèles. Cela ouvre un champ immense de possibilités pour la caractérisation des atmosphères d'autres planètes. Leurs nuages sont une fenêtre sur la nature physique de ces mondes et sur leur habitabilité relative à leurs compositions, distributions et réflectivité. « Nous avons donc regardé des planètes géantes pour l'instant parce qu'elle nous donne un signal fort, explique Nikole Lewis, chercheur postdoctoral à l'EAPS, mais la même méthodologie pourrait être appliquée à des planètes plus petites pour nous aider à déterminer si elles sont habitables ou pas. »

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