Le télescope James Webb révèle une spectaculaire fuite atmosphérique

Des astronomes de l’Université de Genève (UNIGE), du Pôle de recherche national PlanetS et de l’Institut Trottier de recherche sur les exoplanètes (IREx) de l’Université de Montréal (UdeM) ont réalisé une découverte frappante en utilisant le télescope spatial James Webb (JWST). Pour la toute première fois, les scientifiques ont surveillé en continu l’atmosphère s’échappant d’une exoplanète tout au long d’une orbite complète. Le résultat : la géante gazeuse WASP-121b est entourée non pas d’une, mais de deux immenses queues d’hélium s’étendant sur plus de la moitié de son orbite autour de son étoile. Ces observations, combinées aux modèles numériques développés à l’UNIGE, fournissent le portrait le plus détaillé jamais obtenu du phénomène de fuite atmosphérique, un processus capable de transformer profondément une planète au fil du temps.

Membre de la famille des Jupiter ultra-chauds, WASP-121b est une géante gazeuse massive qui orbite si près de son étoile que sa révolution ne dure que 30 heures. Le rayonnement intense de l’étoile chauffe son atmosphère à plusieurs milliers de degrés, permettant aux gaz légers comme l’hydrogène et l’hélium de s’échapper dans l’espace. Sur des millions d’années, cette lente fuite atmosphérique peut altérer la taille, la composition et l’évolution future de la planète.

Jusqu’à présent, les scientifiques n’avaient obtenu que de brefs aperçus de ces flux atmosphériques lors des transits planétaires — ces quelques heures où la planète passe devant son étoile. Sans surveillance continue, il était impossible de savoir jusqu’où s’étendaient ces flux ou comment ils évoluaient.

En utilisant le spectrographe dans le proche infrarouge (NIRISS) du télescope spatial James Webb, les scientifiques ont observé WASP-121b pendant près de 37 heures consécutives, couvrant plus d’une orbite complète. Il s’agit de l’observation continue la plus complète jamais réalisée de la présence d’hélium sur une planète.

Deux énormes queues de gaz

En suivant l’absorption des atomes d’hélium dans l’infrarouge, les scientifiques ont découvert que le gaz entourant WASP-121b s’étend bien au-delà de la planète elle-même. Le signal persiste pendant plus de la moitié de son orbite, ce qui en fait la détection continue la plus longue d’une fuite atmosphérique jamais observée.

Encore plus remarquable : les particules d’hélium forment deux queues distinctes. Une queue traînante, repoussée par le rayonnement et le vent stellaire, et une queue avant, incurvée devant la planète, probablement attirée vers l’étoile par sa gravité. Ensemble, ces deux flux couvrent une distance équivalente à plus de 100 fois le diamètre de la planète, soit plus de trois fois la distance entre la planète et son étoile.

« Nous avons été incroyablement surpris de voir combien de temps durait l’échappement d’hélium », explique Romain Allart, chercheur postdoctoral à l’Université de Montréal, ancien doctorant à l’Université de Genève et auteur principal de l’article. Il poursuit : « Cette découverte révèle la complexité des processus physiques qui sculptent les atmosphères exoplanétaires et leur interaction avec leur environnement stellaire. Nous ne faisons que commencer à découvrir la véritable complexité de ces mondes. »

Les modèles numériques de l’Université de Genève

 Le Département d’astronomie de l’Université de Genève (UNIGE) est à la pointe de la recherche sur les fuites atmosphériques. Les modèles numériques qui y sont développés ont, par exemple, permis d’interpréter les premières observations d’hélium avec le JWST. Ces modèles peuvent expliquer des queues simples en forme de comète, mais ils peinent à reproduire la double structure observée sur WASP-121b.

« Cette découverte indique que la structure de ces flux résulte à la fois de la gravité et des vents stellaires, rendant essentielle une nouvelle génération de simulations 3D pour analyser leur physique », précise Yann Carteret, doctorant au Département d’astronomie de la Faculté des sciences de l’UNIGE et co-auteur de l’étude. 

Les prochaines étapes pour WASP-121b et au-delà

L’hélium est devenu l’un des traceurs les plus puissants de la fuite atmosphérique, et la sensibilité unique du JWST permet désormais de le détecter sur des distances et des durées sans précédent. Les futures observations du JWST seront cruciales pour déterminer si la structure à double queue observée autour de WASP-121b est unique ou commune parmi les exoplanètes chaudes. Les scientifiques doivent également affiner leurs théories pour mieux comprendre cette structure.

« Très souvent, de nouvelles observations révèlent les limites de nos modèles numériques et nous poussent à explorer de nouveaux mécanismes physiques pour approfondir notre compréhension de ces mondes lointains », conclut Vincent Bourrier, maître d’enseignement et de recherche au Département d’astronomie de la Faculté des sciences de l’Université de Genève et co-auteur de l’étude.

Article : A complex structure of escaping helium spanning more than half the orbit of the ultra-hot Jupiter WASP-121 b – Journal : Nature Communications – DOI : 10.1038/s41467-025-66628-5

Source : UNIGE