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Tempête dans l’atmosphère d’une exoplanète

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Une éruption stellaire frappe un jupiter chaud
Cette vue d’artiste montre l’exoplanète HD189733b en transit devant son étoile. Le télescope Hubble a observé ce passage en septembre 2010 et en avril 2011. L’observation d’avril 2011 a eu lieu juste après une forte éruption stellaire (dépeinte sur l’image), qui a pu être observée par un autre télescope spatial, le télescope Swift, qui est sensible aux rayons X émis par ce type d’éruption. Lorsque la planète est passée devant son étoile juste après cette éruption, Hubble a pu mesurer qu’elle perdait son atmosphère à un taux supérieur à 1000 tonnes par seconde (Sur cette image, la surface de l’étoile est inspirée des observations du Soleil par la sonde Solar Dynamics Observatory.).
© NASA, ESA, L. Calçada

En utilisant les télescopes spatiaux Hubble (NASA/ESA) et Swift (NASA), une équipe internationale d’astronomes de l’Institut d’Astrophysique de Paris et de l’Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble (Université Joseph Fourier, Observatoire des Sciences de l’Univers de Grenoble, CNRS) a observé des changements importants dans la haute atmosphère d’une planète lointaine. Juste après une forte éruption de son étoile observée en rayons-X, la planète a subi un violent épisode d’échappement atmosphérique. Il s’agit de la première observation détaillée de variations dans l’atmosphère d’une planète extrasolaire. Ce résultat, à paraître dans Astronomy & Astrophysics, contribue à notre connaissance des variations climatiques et des changements météorologiques dans des conditions extrêmes.

L’équipe a utilisé le télescope Hubble pour observer l’atmosphère de l’exoplanète HD 189733b [1], dans la constellation du Petit Renard. La planète a été observée deux fois alors qu’elle passait devant son étoile à la manière de Venus devant le Soleil : la première fois en avril 2010 puis en septembre 2011. Lors de ces passages, l’atmosphère de la planète imprime sa signature sur la lumière de l’étoile qui est analysée à l’aide des spectrographes du télescope Hubble [2], permettant ainsi aux astronomes de mesurer les propriétés de cette atmosphère. Les observations ont été effectuées afin de confirmer ce que l’équipe avait déjà vu une première fois dans un autre système planétaire : l’évaporation de l’atmosphère d’une exoplanète.

La première série d’observations obtenues en avril 2010 ne montrait aucune trace de l’atmosphère de la planète. Mais lorsque Hubble a observé un deuxième passage de la planète en septembre 2011 la signature de l’atmosphère en évaporation est apparue de manière évidente. Le spectre obtenu avec Hubble montre un panache de gaz s’échappant de la planète à un rythme d’au moins 1000 tonnes d’hydrogène par seconde. Ce résultat constitue la première observation détaillée de variations temporelles dans l’atmosphère d’une exoplanète : de l’exo-météorologie. L’impact est double : cela confirme que les atmosphères des planètes géantes proches de leur étoile peuvent s’évaporer, et, plus encore, cela montre que les conditions physiques qui règnent dans cette atmosphère en évaporation varient au fil du temps. Pourquoi ce changement ?

L’évaporation observée est provoquée par l’énergie apportée par l’étoile sous la forme de rayonnements ultraviolets et de rayons-X. Ce scenario est renforcé par des observations simultanées obtenues avec l’observatoire satellite Swift [3] qui observe en rayons-X. Quelques heures avant que Hubble n’observe le second passage de la planète, Swift a enregistré un flash de rayonnement X en provenance de la surface de l’étoile. Il est très probable que l’énergie apportée à la planète par cette éruption a produit l’évaporation vue quelques heures plus tard avec Hubble. Un processus similaire, même s’il est moins spectaculaire, se produit lorsqu’une éruption solaire frappe l’ionosphère de la Terre, perturbant nos communications radios.

Alors que l’éruption observée en rayons-X est la cause la plus probable des changements atmosphériques de la planète HD 189733b, d’autres explications sont aussi possibles. Par exemple, il se peut que le flux d’émission X de l’étoile ait augmenté progressivement entre 2010 et 2011, dans un processus similaire au cycle de 11 ans du Soleil. Il se peut également que, simultanément à l’éruption stellaire, une augmentation du vent de protons en provenant de l’étoile ait provoqué une accélération des couches extérieures de l’atmosphère de la planète, la rendant ainsi plus facile à détecter. Les questions qui restent posées trouveront peut-être leurs réponses dans les prochaines observations simultanées de Hubble et de l’observatoire X de l’Agence Spatiale Européenne, XMM-Newton, prévues pour l’année prochaine. Quoiqu’il en soit, il est certain que la planète a été frappée par une éruption stellaire et que les conditions physiques de la haute atmosphère de la planète ont changé drastiquement au point que l’échappement des hautes couches de l’atmosphère de la planète est devenu visible avec Hubble.

D’une manière plus générale, cette recherche apporte des informations importantes sur les planètes géantes qui orbitent près de leur étoile, mais aussi sur les planètes de plus petite taille comme la Terre. En effet, les « super-terres » rocheuses découvertes très près de leurs étoiles, comme Corot-7b ou Kepler-10b, pourraient être des résidus de l’évaporation de planètes autrefois plus massives, comme HD 189733b. Ces planètes, initialement des géantes gazeuses, se seraient trouvées trop proches de leur étoile pour résister à une évaporation catastrophique et auraient perdu l’essentiel de leur enveloppe gazeuse, ne laissant que leur noyau central solide mis à nu [4].

En savoir plus

Vidéo (en anglais) sur le site de la NASA

Équipe scientifique

  • Alain Lecavelier des Etangs, Vincent Bourrier, Hélène Dupuy, Alfred Vidal-Madjar, Guillaume Hébrard & Roger Ferlet de l’Institut d’astrophysique de Paris (CNRS, Université Pierre et Marie Curie)
  • Peter J. Wheatley du Département de Physique de l’Université de Warwick (Royaume-Uni),
  • David Ehrenreich de l’Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble (Université Joseph Fourier, Observatoire des Sciences de l’Univers de Grenoble, CNRS),
  • Gilda E. Ballester du Lunar and Planetary Laboratory à l’Université d’Arizona (États-Unis),
  • Jean-Michel Désert du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (États-Unis),
  • David K. Sing du groupe d’astrophysique de l’Université d’Exeter (Royaume-Uni).

Référence

L’étude est publiée par Astronomy & Astrophysics dans un article intitulé : "Temporal variations in the evaporating atmosphere of the exoplanet HD 189733b".

Contact IPAG

David Ehrenreich


[1] La planète HD 189733b est une exoplanète de type « jupiter chaud ». Elle orbite autour de l’étoile HD 189733, située à environ 60 années-lumière de la Terre dans la constellation du Petit Renard (Vulpecula). Les jupiters chauds sont des planètes géantes gazeuses qui orbitent très près de leurs étoiles parentes. HD 189733b est ainsi très proche de son étoile, à seulement 1/30e de la distance entre le Soleil e la Terre, ce qui implique que la température de la planète dépasse 1000°C . Même Mercure, la planète la plus proche du Soleil, est environ 10 fois plus loin, et bien moins chaude. HD 189733b fait le tour de son étoile en 53 heures, elle est environ 10% plus massive et plus grande que Jupiter. L’atmosphère de HD 189733b est brumeuse et composée principalement d’hydrogène. Les observations menées dans le visible ont montré qu’à l’instar de la Terre, l’atmosphère de cette planète diffuse très efficacement la lumière reçue de son étoile aux courtes longueurs d’onde. Par conséquent, HD 189733b possède un ciel bleu.

[2] Cette méthode d’observation des exoplanètes est connue sous le nom de la méthode des transits, car elle tire avantage du fait que, vu de la Terre, la planète passe en transit devant le disque de son étoile parente. Seule une petite fraction des exoplanètes peut être étudiée en utilisant la méthode des transits, car l’orbite de la planète doit être vue parfaitement de profil. Toutefois, pour les planètes où c’est le cas, l’observation des transits est un outil extrêmement puissant pour caractériser les exoplanètes. Les observations ont été réalisées à l’aide du Hubble Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS), un instrument qui, à la manière d’un prisme, divise la lumière en ses couleurs élémentaires. La brillance à des longueurs d’onde différentes est analysée comme un empreinte de la composition chimique ; la lumière porte la signature des propriétés physiques et même du mouvement du gaz qu’elle traverse. Dans le cas présent, les observations menées par le télescope Hubble consistent à traquer les atomes d’hydrogène s’échappant de l’atmosphère de l’exoplanète.

[3] Le satellite Swift est un observatoire international mis au point par la NASA, le Science and Technology Facilities Council du Royaume-Uni et l’Agence spatiale italienne (ASI). Son principal objectif est la détection et l’étude des sursauts gamma, mais ses télescopes en rayons-X et en ultraviolets sont également utilisés pour d’autres observations astronomiques.

[4] Les « super-terres » constituent une classe d’exoplanètes rocheuses avec une masse quelques fois supérieure à celle de la Terre. Les super-terres dans la zone habitable de leurs étoiles (la zone où la température permet à l’eau d’être à l’état liquide) sont considérées comme de bons candidats pour la recherche de la vie. Les exoplanètes Kepler-10b et CoRoT-7b sont des super-terres beaucoup trop proches de leurs étoiles pour maintenir l’eau à l’état liquide. Ce sont probablement les résidus, noyaux rocheux, de planètes autrefois plus massives dont l’intégralité de l’atmosphère s’est évaporée.


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