On attend beaucoup de la détermination des compositions des atmosphères de diverses exoplanètes autour d'étoiles non loin du Soleil dans la Voie lactée avec le télescope spatial James-Webb, le JWST. Un salve d'articles vient de saluer le travail en ce sens réalisé avec l'atmosphère de l'exoplanète WASP-39 b, une Jupiter chaude bien connue. Pas encore de biosignature, mais déjà, tout de même, des indications sur le processus de sa formation.

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     Il y a quelques mois, une équipe de chercheurs dirigée par Natalie Batalha de l'université de Californie Santa Cruz annonçait fièrement un résultat important et de bon augure pour le programme d'analyse des atmosphèresatmosphères des exoplanètes que rend possible le télescope spatial James-Webb. Les astrophysiciensastrophysiciens venaient en effet d’apporter des preuves définitives de la présence de dioxyde de carbone dans l'atmosphère d'une exoplanète, en l'occurrence une planète géante gazeuseplanète géante gazeuse orbitant autour d'une étoile semblable au Soleil, située à seulement 700 années-lumière du Système solaire via une publication annoncée dans le célèbre journal Nature, mais donc une version est en accès libre sur arXiv.

    L'exoplanète en question est une Jupiter chaudeJupiter chaude du nom de WASP-39 b dont la massemasse est environ un quart de celle de Jupiter et dont le diamètre est 1,3 fois supérieur, étant donné qu'elle est chauffée à environ 900 °C. Elle avait été initialement détectée sur Terre en 2011 en utilisant la méthode du transittransit. Sa période orbitalepériode orbitale déterminée est de seulement quatre jours environ et le rayon de son orbiteorbite est d'à peine un huitième de la distance entre le Soleil et MercureMercure.

    Inutile donc d'espérer y trouver de la vie mais cela illustrait bien les possibilités désormais ouvertes avec le JWST avec, à terme, l'espoir de déterminer peut-être des biosignatures convaincantes de l'existence de formes de vie sur des exoterresexoterres proches du Soleil dans la Voie lactéeVoie lactée. Une problématique qui n'a rien d'évidente, comme l'astrophysicien Franck Selsis l'a expliqué à plusieurs reprises.


    L’étude des exoplanètes a révélé une incroyable diversité des architectures de systèmes planétaires, mais aussi des types de planètes, en ce qui concerne les masse, rayon, température et composition. Les méthodes d’observation permettent désormais de sonder la structure et la composition de leur atmosphère, ouvrant ainsi un champ de recherche considérable à la planétologie comparée. Voici, en 2014, une conférence de Franck Selsis organisée par le Bureau des longitudes (Académie des Sciences) et le département de géosciences de l'ENS. © École normale supérieure - PSL

    Rappelons que les transits permettent de mettre en œuvre les capacités d'observations du JWST rendues possible notamment par son spectrographespectrographe dans le proche infrarougeinfrarouge : NIRSpecNIRSpec (il existe en fait trois instruments de ce genre équipant le JWST). Lorsqu'une exoplanète passe devant son étoile, la lumière transmise à travers son atmosphère montre des raies d'absorptionabsorption que l'on peut mettre en évidence par dispersion avec le spectrographe et qui sont une sorte de code-barrescode-barres révélant la présence, l'identité et les abondances d'atomesatomes et de moléculesmolécules dans cette atmosphère.

    C'est particulièrement facile dans le cas de WASP-39 b car son atmosphère est bien dilatée par le rayonnement thermiquerayonnement thermique de son étoile hôte, sa distance au Soleil faible et ses transits fréquents, ce qui permet d'accumuler de la statistique comme on dit dans le jargon des sciences naturelles, contribuant à augmenter la précision des mesures avec le temps en faisant baisser le bruit parasitant les signaux recherchés.

    Cinq articles sur les molécules de l'atmosphère de WASP-39 b

    On en voit aujourd'hui la preuve avec la détection de nouvelles molécules dans l'atmosphère de WASP-39 b avec le JWST qui a à nouveau été mobilisé et par l'équipe Early Release Science (ERS) Transiting Exoplanets qui comprend un groupe d'astronomesastronomes canadiens de l'université de Montréal dirigés par le professeur Björn Benneke. Comme l'explique un communiqué de l'Institut de recherche sur les exoplanètes (iREx), ce groupe  avait déjà contribué à la détection du CO2 dans l'atmosphère de WASP-39 b et il a donc poussé ses analyses plus loin avec l'instrument canadien, le Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISSNIRISS).

    Un spectre de transmission est créé en comparant la lumière des étoiles filtrée à travers l'atmosphère d'une planète lorsqu'elle se déplace devant l'étoile, à la lumière des étoiles non filtrée détectée lorsque la planète est à côté de l'étoile. Chacun des points de données (cercles blancs) sur ces graphiques représente la quantité d'une longueur d'onde spécifique de lumière qui est bloquée par la planète et absorbée par son atmosphère. Les longueurs d'onde qui sont préférentiellement absorbées par l'atmosphère apparaissent comme des pics dans le spectre de transmission. Ce graphique affiche les données de l'instrument NIRISS de Webb, montrant les empreintes digitales de potassium (K), d'eau (H<sub>2</sub>O) et de monoxyde de carbone (CO). © Nasa, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)
    Un spectre de transmission est créé en comparant la lumière des étoiles filtrée à travers l'atmosphère d'une planète lorsqu'elle se déplace devant l'étoile, à la lumière des étoiles non filtrée détectée lorsque la planète est à côté de l'étoile. Chacun des points de données (cercles blancs) sur ces graphiques représente la quantité d'une longueur d'onde spécifique de lumière qui est bloquée par la planète et absorbée par son atmosphère. Les longueurs d'onde qui sont préférentiellement absorbées par l'atmosphère apparaissent comme des pics dans le spectre de transmission. Ce graphique affiche les données de l'instrument NIRISS de Webb, montrant les empreintes digitales de potassium (K), d'eau (H2O) et de monoxyde de carbone (CO). © Nasa, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

    Parmi les molécules nouvellement détectées avec trois des instruments du JWST, on trouve aujourd'hui la mise en évidence pour la première fois dans l'atmosphère d'une exoplanète de molécules de dioxyde de soufresoufre (SO2) dont on sait sur Terre qu'elle peut être produite à partir de réactions chimiquesréactions chimiques faisant intervenir la lumière ultraviolette par photochimie.

    « C'est la première fois que nous voyons des preuves concrètes de la photochimie - des réactions chimiques initiées par la lumière stellaire énergétique - sur des exoplanètes. Je vois cela comme une perspective vraiment prometteuse pour faire progresser notre compréhension des atmosphères d'exoplanètes », explique dans un communiqué de l'ESAESA Shang-Min Tsai, chercheur à l'université d'Oxford au Royaume-Uni et auteur principal d'un des cinq articles aujourd'hui publiés, celui au sujet de l'origine du dioxyde de soufre dans l'atmosphère de WASP-39 b.

    Ceci n'est que la pointe émergée d'un iceberg, celui de la modélisationmodélisation de l'effet du rayonnement d'une étoile sur les réactions chimiques dans une atmosphère. On sait le faire bien sûr dans le cas de la Terre, mais il existe aussi des modèles pour les autres planètes du Système solaireSystème solaire. La découverte de SO2 dans l'atmosphère de WASP-39 b est donc un prélude de l'extension et des tests de modèles de la photochimie dans les atmosphères d'exoplanètes. Modèles, qui vont nous aider dans les décennies à venir à mieux définir ce que pourraient être des biosignatures convaincantes.

    À cet égard, Hannah Wakeford, astrophysicienne à l'université de Bristol au Royaume-Uni, qui étudie les atmosphères des exoplanètes, ajoute dans le communiqué de l'ESA en ce qui concerne les résultats obtenus avec les molécules détectées aujourd'hui : « nous avions prédit ce que JWST nous montrerait, mais c'était plus précis, plus diversifié et plus beau que je ne le pensais réellement ».

    La ligne bleue est un modèle le mieux adapté qui prend en compte les données, les propriétés connues de WASP-39 b et de son étoile (par exemple, la taille, la masse, la température) et les caractéristiques supposées de l'atmosphère. Les chercheurs peuvent faire varier les paramètres du modèle – en modifiant des caractéristiques inconnues telles que la hauteur des nuages ​​dans l'atmosphère et l'abondance de divers gaz – pour obtenir un meilleur ajustement et mieux comprendre à quoi ressemble vraiment l'atmosphère. Ce graphique affiche les données de l'instrument NIRSpec de Webb, indiquant les signatures du potassium (K), de l'eau (H<sub>2</sub>O), du monoxyde de carbone (CO), du dioxyde de soufre (SO<sub>2</sub>), du dioxyde de carbone (CO<sub>2</sub>) et du sodium (Na). © Nasa, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)
    La ligne bleue est un modèle le mieux adapté qui prend en compte les données, les propriétés connues de WASP-39 b et de son étoile (par exemple, la taille, la masse, la température) et les caractéristiques supposées de l'atmosphère. Les chercheurs peuvent faire varier les paramètres du modèle – en modifiant des caractéristiques inconnues telles que la hauteur des nuages ​​dans l'atmosphère et l'abondance de divers gaz – pour obtenir un meilleur ajustement et mieux comprendre à quoi ressemble vraiment l'atmosphère. Ce graphique affiche les données de l'instrument NIRSpec de Webb, indiquant les signatures du potassium (K), de l'eau (H2O), du monoxyde de carbone (CO), du dioxyde de soufre (SO2), du dioxyde de carbone (CO2) et du sodium (Na). © Nasa, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

    La cosmogonie des exoplanètes

    La détermination de la composition des atmosphères des exoplanètes avec le James-Webb ne permet pas seulement aux exobiologistes de partir en quête de biosignatures. En effet, les cosmochimistes peuvent aussi déterminer des rapports d'abondance entre les éléments constituant les molécules détectées.

    Comme dans le cas du Système solaire, les rapports carbonecarbone-oxygèneoxygène ou potassiumpotassium-oxygène, par exemple, témoignent des conditions régnantes dans les disques protoplanétairesdisques protoplanétaires et des mécanismes de formation des planètes.

    Dans le cas de WASP-39 b, les rapports déjà déterminés pointent vers des processus déjà découverts dans le cas du Système solaire, comme l'explique Kazumasa Ohno, chercheur sur les exoplanètes de l'UC Santa Cruz qui a travaillé sur les données Webb.

    « L'abondance du soufre relativement à l'hydrogènehydrogène a indiqué que la planète a vraisemblablement connu une accrétionaccrétion significative de planétésimaux qui peuvent fournir ces ingrédients à l'atmosphère. Les données indiquent également que l'oxygène est beaucoup plus abondant que le carbone dans l'atmosphère. Cela suggère que WASP-39 b s'est formée à l'origine loin de l'étoile centrale. En révélant avec précision les détails de l'atmosphère d'une exoplanète, les instruments du télescope Webb ont dépassé les attentes des scientifiques et promettent une nouvelle phase d'exploration de la grande variété d'exoplanètes de la GalaxieGalaxie. »


    Des explications  détaillées de Franck Selsis sur le problème de la détection et de l'interprétation des biosignatures. © Académie des sciences

    Cinq articles scientifiques au sujet de l'exoplanète WASP-39 b par l'équipe scientifique du programme JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science ont été publiés sur arXivarXiv le 21 novembre 2022. Les voici en lien :