Premières images d’une exoplanète avec le JWST

L’instrument NIRCam du JWST offre des possibilités d’observations coronographiques  « classiques » dérivés de la méthode développée par le français Bernard Lyot (1897 – 1952) qui utilise un masque occultant (ronds ou en forme de barre) qui réduit considérablement le rayonnement d’une étoile ce qui permets de scruter son environnement. En fait les coronographes utilisés sur NIRCam ne sont pas tout à fait comme ceux de Lyot, dont les bords sont abruptes. Il conviendrait plutôt de les qualifier de masques d’amplitudes en comparaison à ceux utilisés par MIRI (qui sont des masques de phase).  Cette méthode produit des contrastes élevés à des distances inférieures à 1 seconde d’arc de l’étoile. NIRCam opère à des longueurs d’onde entre 2 et 5 micromètres.

L’imageur de MIRI, lui, utilise une méthode révolutionnaire qui permet d’observer des objets beaucoup plus proches de l’étoile « masquée ». C’est une nouvelle génération désormais connue sous le nom de coronographes à masque de phase à 4 quadrants, développée au Département du LESIA de l’Observatoire  de Paris sous la houlette et l’impulsion de Daniel Rouan, qui est le père fondateur de cette nouvelle techonologie. C’est la première fois qu’ils sont utilisés depuis l’espace. Le seul autre instrument doté de cette technique est l’instrument SPHERE qui équipe le Très Grand Télescope (VLT) de l’Observatoire Européen (ESO) au Chili, mais qui n’a pas encore fait usage de cette nouvelle facilité car jugée  moins efficace que les coronographes de Lyot apodisés. Les 4 coronographes de MIRI fonctionnent aux longueurs d’onde 10.65, 11.40, 15.50 et 23.00 microns (Boccaletti et al. 2022).

« Ces longueurs d’onde ont été spécialement choisies pour sonder l’atmosphère des exoplanètes géantes, identifier des molécules comme l’ammoniac, et viennent en complément des observations  obtenues au sol en infrarouge proche » précise Pierre Baudoz du LESIA, un des principaux chercheurs directement impliqué dans la conception des coronographes de MIRI et de l’étude des atmosphères des exoplanètes.

L’imageur de MIRI, lui, utilise une méthode révolutionnaire qui permet d’observer des objets beaucoup plus proches de l’étoile « masquée ». C’est une nouvelle génération désormais connue sous le nom de coronographes à masque de phase à 4 quadrants, développée au Département du LESIA de l’Observatoire  de Paris sous la houlette et l’impulsion de Daniel Rouan. Les 4 coronographes de MIRI fonctionnent aux longueurs d’onde 10.65, 11.40, 15.50 et 23.00 microns (Boccaletti et al. 2022). C’est la première fois qu’ils sont utilisés depuis l’espace. Le seul autre instrument doté de cette technique est SPHERE  qui équipe le Très Grand Télescope (VLT) de l’Observatoire Européen (ESO) au Chili, mais qui n’a pas encore utilisé cette technique car moins efficace que les coronographes apodisés.

L’exoplanète HIP 65426b était dans le menu des premières cibles des observations à réaliser avec le JWST. Il s’agit d’une planète géante très jeune d’environ 15 millions d’années, située à 90 unité astronomique  de son étoile mère soit environ 13,5 milliards de kilomètres. D’une masse estimée à environ 7 masses de Jupiter, elle avait été découverte avec l’instrument SPHERE en 2017. Les instruments du JWST ont rendu possible son observation directe grâce à ces coronographes.

Les observations ont été réalisées dans le cadre d’un programme « Early Release Science »  mené par une collaboration internationale incluant plusieurs chercheurs français des laboratoires de l’IPAG, du LAM, du LESIA, du CEA/AIM, et du Laboratoire Lagrange. Rappelons que MIRI est le seul instrument qui observe dans l’infrarouge moyen (souvent appelé infrarouge thermique) du JWST.

Les résultats sont spectaculaires ! Ce résultat doit beaucoup au travail intense fait pendant la recette sur le ciel pour mettre en œuvre le mode coronographique de MIRI par Pierre-Olivier Lagage, Christophe Cossou,  Anthony Bocaletti et Pierre Baudoz du Centre d’Expertise Français  MICE. Il convient de souligner le rôle essentiel que les partenaires français du consortium Européen de MIRI ont joué dans l’obtention de ces résultats. Sans leur compétence, il n’aurait pas été possible d’obtenir de tels résultats! C’est un cocorico dûment mérité… 

 

Images de l’exoplanète HIP 65426 b observées par NIRCAM (3.3 et 4.4 microns) et MIRI (11.4 et 15.5 microns). L’étoile blanche indique la position de l’étoile hôte. Crédit NASA/STScI/ESA publié par Carter et al. 2022.

Les observations se révèlent en particulier de meilleure qualité que ce que les modèles les plus optimistes prédisaient.

Images coronographiques simulées (en haut) et mesurées (en bas) avec les 4 coronographes de MIRI

« Les performances sont meilleures que celles initialement prévues ! »,

précise Anthony Boccaletti, Directeur du LESIA, et premier responsable scientifique des coronographes de MIRI, qui ne peut cacher sa satisfaction !

Les données recueillies sur HIP 65426 b fournissent la première mesure fiable de la température qui règne dans l’atmosphère de cette exoplanète : 1400°C. Les commentaires sur ces observations fusent parmi les nombreux membres français de l’équipe.

« Cela correspond à la température de la flamme d’un briquet. On s’attend ainsi à ce que des petits grains de poussière formés de silicates se forment et restent en suspension dans l’atmosphère de l’objet”,note Mickaël Bonnefoy, chercheur à l’Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble (IPAG).

 « Le JWST démontre son potentiel pour étudier en détail les propriétés physico-chimiques de ces mondes extrasolaires et mieux comprendre leur formation. Les images pourraient aussi révéler de nouvelles planètes encore inconnues dans ces systèmes”, renchérit Gaël Chauvin de l’Observatoire Lagrange (Nice).

Ces images spectaculaires sont les premières d’un programme entier dédié aux observations directes de systèmes exoplanétaires proches.

« Nous travaillons maintenant sur les images d’un système encore plus jeune de 5 millions d’années, autour duquel il reste encore énormément de gaz et de poussière. Avec ces analyses, nous saurons si ces poussières contiennent de la glace d’eau comme les comètes dans notre système solaire » indique Élodie Choquet, chercheuse au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM)

De fait ces premiers résultats laissent augurer du meilleur en ce qui concerne les observations coronographiques d’exoplanètes à venir, et la communauté (en particulier française) impliquée dans ces recherches bouillonne déjà d’impatience !

Inspiré d’une note d’actualité publiée par le CNRS (voir la note