Les astronomes du MIT ont obtenu la vue la plus claire à ce jour de la face sombre perpétuelle d’une exoplanète qui est « verrouillée de manière tidale » à son étoile. Leurs observations, combinées aux mesures du côté jour permanent de la planète, fournissent la première vue détaillée de l’atmosphère globale d’une exoplanète.

« Nous ne nous contentons plus de prendre des clichés isolés de régions spécifiques de l’atmosphère des exoplanètes, mais nous les étudions comme les systèmes en 3D qu’elles sont réellement », explique Thomas Mikal-Evans, qui a dirigé l’étude en tant que post-doc à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT.

La planète au centre de la nouvelle étude, qui paraît dans Nature Astronomy, est WASP-121b, une géante gazeuse massive qui fait presque deux fois la taille de Jupiter. La planète est un Jupiter ultra-chaud et a été découverte en 2015 en orbite autour d’une étoile à environ 850 années-lumière de la Terre. WASP-121b a l’une des orbites les plus courtes détectées à ce jour, tournant autour de son étoile en seulement 30 heures. Elle est également verrouillée de manière tidale, de sorte que son côté « jour » faisant face à l’étoile est en permanence en train de rôtir, tandis que son côté « nuit » est tourné pour toujours vers l’espace.

« Les jupiters chauds sont célèbres pour leur côté diurne très lumineux, mais le côté nocturne est une autre bête. La face nocturne de WASP-121b est environ 10 fois plus faible que sa face diurne », explique Tansu Daylan, post-doctorant TESS au MIT et co-auteur de l’étude.

Les astronomes avaient déjà détecté de la vapeur d’eau et étudié comment la température atmosphérique changeait avec l’altitude du côté jour de la planète.

La nouvelle étude donne une image beaucoup plus détaillée. Les chercheurs ont pu cartographier les changements spectaculaires de température entre le jour et la nuit, et voir comment ces températures évoluent avec l’altitude. Ils ont également suivi la présence d’eau dans l’atmosphère pour montrer, pour la première fois, comment l’eau circule entre le jour et la nuit sur une planète.

Alors que sur Terre, le cycle de l’eau s’effectue d’abord par évaporation, puis par condensation en nuages, puis par pluie, sur WASP-121b, le cycle de l’eau est beaucoup plus intense : Le jour, les molécules d’eau sont pirolysées à des températures supérieures à 3 000 Kelvin. Les atomes sont soufflés vers le côté nuit, où des températures plus froides permettent aux atomes d’hydrogène et d’oxygène de se recombiner en molécules d’eau, qui sont ensuite soufflées vers le côté jour, où le cycle recommence.

L’équipe calcule que le cycle de l’eau de la planète est soutenu par des vents qui font tourner les atomes autour de la planète à des vitesses pouvant atteindre 5 km/s, soit plus de 18 000 km/h.

Il semble également que l’eau ne soit pas la seule à circuler autour de la planète. Les astronomes ont découvert que la face nocturne est suffisamment froide pour abriter des nuages exotiques de fer et de corindon, un minéral qui compose les rubis et les saphirs. Ces nuages, comme la vapeur d’eau, peuvent se déplacer vers le côté jour, où les températures élevées vaporisent les métaux sous forme de gaz. En chemin, des pluies exotiques pourraient être produites, comme des pierres précieuses liquides provenant des nuages de corindon.

« Grâce à cette observation, nous obtenons vraiment une vue globale de la météorologie d’une exoplanète », déclare Mikal-Evans.

Parmi les co-auteurs de l’étude figurent des collaborateurs du MIT, de l’université Johns Hopkins, de Caltech et d’autres institutions.

Le jour et la nuit

L’équipe a observé WASP-121b à l’aide d’une caméra spectroscopique à bord du télescope spatial Hubble de la NASA. L’instrument observe la lumière d’une planète et de son étoile, et décompose cette lumière en ses longueurs d’onde constitutives, dont les intensités donnent aux astronomes des indices sur la température et la composition de l’atmosphère.

Grâce aux études spectroscopiques, les scientifiques ont observé les détails de l’atmosphère du côté diurne de nombreuses exoplanètes. Mais il est beaucoup plus difficile de faire la même chose pour la partie nocturne, car il faut observer de minuscules changements dans l’ensemble du spectre de la planète lorsqu’elle tourne autour de son étoile.

Pour cette nouvelle étude, l’équipe a observé WASP-121b tout au long de deux orbites complètes, l’une en 2018 et l’autre en 2019. Pour les deux observations, les chercheurs ont recherché dans les données de lumière une ligne spécifique, ou caractéristique spectrale, qui indiquait la présence de vapeur d’eau.

« Nous avons vu cette caractéristique de l’eau et cartographié comment elle changeait à différents moments de l’orbite de la planète », explique Mikal-Evans. « Cela code des informations sur ce que la température de l’atmosphère de la planète fait en fonction de l’altitude ».

La caractéristique changeante de l’eau a aidé l’équipe à cartographier le profil de température du côté jour et du côté nuit. Ils ont constaté que le côté jour varie de 2 500 Kelvin dans sa couche observable la plus profonde à 3 500 Kelvin dans ses couches les plus élevées. Le côté nuit varie de 1 800 Kelvin dans sa couche la plus profonde à 1 500 Kelvin dans sa haute atmosphère. Il est intéressant de noter que les profils de température semblaient s’inverser, augmentant avec l’altitude du côté jour - une « inversion thermique », en termes météorologiques - et diminuant avec l’altitude du côté nuit.

Grâce à la cartographie des températures, l’équipe a également observé que la région la plus chaude de la planète est déplacée à l’est de la région « substellaire » située directement sous l’étoile. Ils en ont déduit que ce déplacement est dû à des vents extrêmes.

« Le gaz est chauffé au point substellaire, mais il est poussé vers l’est avant de pouvoir diffuser dans l’espace », explique Mikal-Evans.

D’après la taille du déplacement, l’équipe estime que la vitesse des vents est d’environ 5 kilomètres par seconde.

« Ces vents sont beaucoup plus rapides que notre courant-jet et peuvent probablement déplacer les nuages sur toute la planète en une vingtaine d’heures », explique M. Daylan, qui a dirigé des travaux antérieurs sur la planète à l’aide de la mission TESS de la NASA, dirigée par le MIT.

Les astronomes ont réservé du temps sur le télescope spatial James Webb pour observer WASP-121b plus tard cette année, et espèrent cartographier les changements non seulement de la vapeur d’eau mais aussi du monoxyde de carbone, que les scientifiques soupçonnent de résider dans l’atmosphère.

« Ce serait la première fois que nous pourrions mesurer une molécule contenant du carbone dans l’atmosphère de cette planète », explique Mikal-Evans. « La quantité de carbone et d’oxygène dans l’atmosphère fournit des indices sur la formation de ce type de planète ».

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