Une épaisse couche de brume autour de la planète à ultra-basse densité Kepler-51d obscurcit probablement non seulement la composition de cette planète étrange, mais aussi son origine, selon une nouvelle étude. Une équipe dirigée par des chercheurs de Penn State a utilisé le télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA pour examiner de plus près la planète « super-puff » qui défie les modèles de formation planétaire. Cependant, la couche de brume la plus épaisse jamais trouvée sur une planète rend difficile la distinction des éléments chimiques dans l’atmosphère de la planète et toute piste sur sa formation.
Kepler-51 est une étoile située à environ 2 615 années-lumière de la Terre dans la constellation du Cygne. Le système compte quatre planètes connues, dont au moins trois sont des planètes super-puff de faible densité inhabituelles, de la taille de Saturne mais ne faisant que quelques fois la masse de la Terre. Kepler-51d est la planète la plus froide et la moins dense de ce système.
« Nous pensons que les trois planètes intérieures en orbite autour de Kepler-51 ont de minuscules noyaux et de vastes atmosphères, ce qui leur donne une densité semblable à de la barbe à papa », a déclaré Jessical Libby-Roberts, boursière postdoctorale du Center for Exoplanets and Habitable Worlds à Penn State au moment de la recherche et première auteure de l’article. « Ces planètes super-puff à ultra-basse densité sont rares et défient la compréhension conventionnelle de la formation des géantes gazeuses. Et si expliquer comment une seule s’est formée n’était pas assez difficile, ce système en a trois ! »
Selon Libby-Roberts, les géantes gazeuses ont généralement un noyau dense et donc une forte attraction gravitationnelle qui attire et retient les gaz. Ces planètes se forment généralement plus loin de leur étoile, dont l’attraction gravitationnelle attire également les gaz, un peu comme les géantes gazeuses de notre système solaire se trouvent au-delà de la ceinture d’astéroïdes. Mais Kepler-51d n’a pas de noyau dense et sa distance par rapport à son étoile est approximativement la même que celle de Vénus par rapport au Soleil.
« Kepler-51 est une étoile relativement active, et ses vents stellaires devraient facilement chasser les gaz de cette planète, bien que l’étendue de cette perte de masse au cours de la vie de Kepler-51d reste inconnue », a expliqué Libby-Roberts, qui est maintenant professeure adjointe de physique et d’astronomie à l’Université de Tampa. « Il est possible que la planète se soit formée plus loin et qu’elle se soit déplacée vers l’intérieur, mais nous nous posons encore une tonne de questions sur la façon dont cette planète — et les autres planètes de ce système — se sont formées. Qu’est-ce qui, dans ce système, a créé ces trois planètes vraiment excentriques, une combinaison d’extrêmes que nous n’avons vue nulle part ailleurs ? »
En raison des densités ultra-faibles, les chercheurs affirment qu’ils croient que ces planètes super-puff ont une quantité substantielle des éléments les plus légers, l’hydrogène et l’hélium, mais ils s’attendent également à trouver d’autres éléments. En clarifiant les éléments qui composent l’atmosphère de Kepler-51d, les chercheurs peuvent également déduire des informations sur l’environnement et l’emplacement où la planète s’est formée.
Bien que les planètes à ces distances ne puissent pas être imagées directement depuis la Terre, les chercheurs peuvent observer la lumière de l’étoile, qui s’atténue lorsqu’une planète passe devant — ou transite — son étoile hôte du point de vue de la Terre.
« La lumière d’une étoile est filtrée à travers l’atmosphère de la planète avant d’atteindre nos télescopes », a déclaré Libby-Roberts. « Si une certaine molécule est présente dans l’atmosphère et absorbe une certaine longueur d’onde de la lumière — comme différents objets colorés sur terre absorbent différentes longueurs d’onde — elle peut bloquer la lumière à cette longueur d’onde. Si nous regardons sur une plage de longueurs d’onde, sur un spectre, nous obtenons une sorte d’empreinte digitale de l’atmosphère de la planète qui révèle sa composition. »
Libby-Roberts et ses collègues ont précédemment observé Kepler-51d avec le télescope spatial Hubble de la NASA, qui a observé des longueurs d’onde proches de l’infrarouge d’environ 1,1 à 1,7 micron. La technologie améliorée du spectrographe proche infrarouge du JWST a permis à l’équipe d’étendre les observations à 5 microns, avec le potentiel de fournir une « empreinte digitale » atmosphérique plus nuancée. Cependant, les chercheurs n’ont vu aucune baisse claire de l’intensité de l’étoile à des longueurs d’onde spécifiques.
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« Nous pensons que la planète a une couche de brume si épaisse qu’elle absorbe les longueurs d’onde de la lumière que nous avons examinées, donc nous ne pouvons pas réellement voir les caractéristiques en dessous », a déclaré Suvrath Mahadevan, professeur d’astronomie et d’astrophysique Verne M. Willaman au Penn State Eberly College of Science et auteur de l’article. « Cela semble très similaire à la brume que nous voyons sur Titan, la plus grande lune de Saturne, qui contient des hydrocarbures comme le méthane, mais à une échelle beaucoup plus grande. Kepler-51d semble avoir une énorme quantité de brume — presque le rayon de la Terre — ce qui en ferait l’une des plus grandes que nous ayons vues sur une planète à ce jour. »
Les chercheurs ont envisagé des alternatives à une grande couche de brume mais les ont largement écartées. Par exemple, si la planète avait des anneaux et était inclinée, il est possible que les anneaux bloquent la lumière de l’étoile, faisant paraître la planète plus grande — et dans ce cas moins dense — qu’elle ne l’est réellement. Cependant, les chercheurs ont déclaré que les anneaux bloqueraient la lumière à différentes longueurs d’onde de manière cohérente et devraient être inclinés d’une manière très spécifique pour créer ces résultats.
« Au lieu de cela, nous voyons une tendance linéaire, avec plus de lumière bloquée aux longueurs d’onde plus longues », a expliqué Libby-Roberts. « Ceci est inhabituel, et l’explication la plus simple est une brume épaisse. Les anneaux devraient être de courte durée, composés de matériaux très particuliers et situés exactement au bon angle, ce qui semble improbable, mais nous ne pouvons pas complètement l’exclure. Si nous pouvions observer la planète à des longueurs d’onde encore plus longues, comme avec l’instrument Mid Infrared du JWST, nous pourrions peut-être détecter les matériaux qui se trouveraient dans un anneau ou voir l’étendue complète de la couche de brume. »
Les chercheurs ont déclaré que les observations d’autres planètes super-puff pourraient également éclairer Kepler-51d. Par exemple, une autre équipe de recherche analyse actuellement les observations du JWST de Kepler-51b, ce qui pourrait aider à clarifier si toutes les planètes super-puff sont brumeuses, si elles ont toutes une structure et des environnements de formation similaires, ou si 51d est unique.
« Avant que les astronomes ne trouvent des planètes en dehors de notre système solaire, nous pensions avoir une assez bonne compréhension de la façon dont les planètes se formaient », a souligné Libby-Roberts. « Mais nous avons commencé à trouver des exoplanètes qui ne correspondaient pas du tout à notre système solaire, et nous avons ces mondes extraterrestres qui remettent vraiment en cause notre compréhension de la formation des planètes. Nous n’avons pas encore trouvé de système solaire comme le nôtre, et être capable d’expliquer comment toutes ces différentes planètes se sont formées nous aide à comprendre comment nous nous intégrons dans le tableau général et notre place dans l’univers. »
Article : The James Webb Space Telescope NIRSpec-PRISM Transmission Spectrum of the Super-Puff, Kepler-51d – Journal : The Astronomical Journal – Méthode : Observational study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Penn State U.
