Un monde de la taille de Jupiter, distant de seulement 7,5 années-lumière, est nuageux, chimiquement complexe et, il s’avère, plus proche de chez nous que quiconque ne l’avait imaginé.
À l’aide du télescope spatial James Webb, Brittany Miles, astronome adjointe à l’Observatoire Steward de l’Université de l’Arizona, a dirigé une équipe qui a consacré 11 heures à observer WISE 0855, la naine brune la plus froide connue, en recueillant un spectre de sa lumière toutes les 15 minutes. Le résultat est le portrait en série temporelle le plus détaillé jamais réalisé de ce monde glacial – et la première confirmation directe que les nuages d’eau d’un autre astre varient d’épaisseur au fil du temps, tout comme la météo sur Terre.
L’étude, publiée dans The Astrophysical Journal, révèle que l’atmosphère de WISE 0855 est façonnée par au moins deux processus distincts qui se déroulent simultanément : des nuages d’eau en haute altitude qui s’épaississent et s’amincissent à mesure que l’objet tourne sur lui-même, et des gaz chimiques profonds remontés par convection depuis de grandes profondeurs. Démêler ces deux signaux – chose jusque-là impossible avec les télescopes plus anciens – est ce qui rend les données du JWST si puissantes.
« C’est la première fois que nous parvenons à confirmer que des nuages d’eau s’amincissent et s’épaississent sur un monde proche », a déclaré Miles, chercheuse postdoctorale à l’Observatoire Steward. « Avant le JWST, nous n’avions que la photométrie, qui mélangeait les effets des nuages, de la chimie et de la température. Désormais, nous pouvons réellement les distinguer. »
Les naines brunes occupent un entre-deux étrange. Trop massives pour être des planètes, trop petites pour s’allumer en étoiles, elles luisent faiblement de la chaleur résiduelle de leur formation. WISE 0855, à environ 265 kelvins – plus froide que la surface de la Terre –, se situe tout en bas de cette catégorie, ce qui brouille encore davantage la frontière. Avec une masse d’environ deux fois celle de Jupiter et une taille presque identique, elle ressemble et se comporte, à bien des égards, comme une planète géante flottant librement dans l’espace.
Comprendre son atmosphère suppose d’observer ce monde à travers ce que le co-auteur Mark Marley, directeur et chef de département du Lunar and Planetary Laboratory de l’Université de l’Arizona, décrit comme une sorte de moustiquaire. « Les photons traversent l’atmosphère et s’échappent dans l’espace », a expliqué Marley. « C’est comme observer le monde à travers une moustiquaire, dont l’écran filtre une partie de la lumière. Nous apprenons des choses sur le monde de part et d’autre de l’écran – mais nous devons aussi comprendre l’écran lui-même. »
Dans ce cas, l’écran change sans cesse. À mesure que WISE 0855 tourne, différentes régions de sa surface entrent successivement dans le champ de vision, chacune avec une couverture nuageuse et une température légèrement différentes, comme si l’on observait un patchwork de zones plus chaudes et plus froides pivoter lentement. Le spectrographe à résolution moyenne du JWST était suffisamment sensible pour suivre ces différences au niveau des signatures moléculaires individuelles – une prouesse qu’aucun observatoire antérieur n’avait pu réaliser pour un objet aussi froid. Outre les températures variables qui suivaient la rotation de la naine brune, le spectrographe a également capté un signal rythmique, de type ondulatoire, lié à des gaz spécifiques : le monoxyde de carbone et la phosphine. Ces composés chimiques fluctuent parce que la chaleur provenant des profondeurs de la naine brune les brasse constamment vers la surface, de la même manière qu’une casserole de soupe chaude pousse le liquide le plus chaud du fond vers le haut.
Ce type de signal chimique est familier aux planétologues. Sur Jupiter, le brassage convectif remonte des gaz issus de couches profondes et chaudes vers l’atmosphère visible. Le même processus, appelé chimie de non-équilibre, a déjà été observé dans des naines brunes – mais le voir varier en temps réel, molécule par molécule, est un territoire inédit.
« Nous voyons des nuages d’eau s’épaissir et s’amincir, et des gaz profonds monter et descendre, et nous pouvons réellement observer leur évolution en temps réel », a déclaré Miles.
Miles estime que la véritable valeur de cette découverte ne réside pas seulement dans ce qu’elle nous apprend sur WISE 0855 en particulier, mais dans ce qu’elle suggère sur les atmosphères planétaires de manière plus générale. La physique fondamentale de la convection, des nuages et de la chimie qui régit Jupiter régit également ce monde froid flottant librement à plus de sept années-lumière. Si cette physique est universelle, elle s’applique aux exoplanètes géantes gazeuses que les astronomes commencent désormais à étudier sérieusement avec le JWST.
« Bien que les naines brunes ne soient pas de véritables planètes, elles présentent un comportement de type planétaire », a déclaré Miles. « Il existe un spectre de comportements – pas de frontière nette entre naines brunes et planètes. Jupiter et cet objet paraissent nettement différents, mais ils connaissent des régimes météorologiques similaires. Il existe une physique et une chimie fondamentales applicables à tous ces mondes. »
Pour Miles, dont les modèles se sont appuyés sur les travaux fondateurs de théoriciens comme Marley – dont les modèles atmosphériques ont eux-mêmes été étalonnés sur Jupiter –, cet article est autant une étape générationnelle qu’une découverte. « Une grande partie de mon intuition physique concernant ce qui manque aux modèles est due au mentorat et au travail acharné de Mark », a-t-elle déclaré. « C’est un projet pluriannuel. Beaucoup de personnes ont contribué à faire en sorte que cela puisse être mené à bien. »
Miles envisage désormais de cumuler davantage d’heures d’observations de référence avec le JWST afin de préciser d’autres détails sur la rotation de WISE 0855 et les nuances tridimensionnelles du mouvement de son atmosphère. Pour l’heure, le message est clair : la météo existe partout, et certains de nos plus proches voisins ont des cieux qui méritent qu’on les observe.
Article : Water Cloud and Chemical Modulations in the Coldest Brown Dwarf – Journal : The Astrophysical Journal – Méthode : Computational simulation/modeling – DOI : Lien vers l’étude
Source : Arizona U.
