MIRI confirme la présence de dioxyde de soufre dans l’atmosphère de WASP-39b

La Saturne Chaude WASP-39b a déjà fait parler d’elle à de nombreuses reprises. Après de nombreuses observations au sol et depuis l’espace avec Hubble et Spitzer, elle a été l’une des premières cibles du James Webb Space Telescope (JWST). En novembre 2022, l’observatoire spatial observe l’exoplanète dans le proche infrarouge, permettant aux scientifiques de découvrir la molécule de dioxyde de carbone (CO2) pour la première fois de manière sans équivoque dans son atmosphère (cf. article du 26 août 2022). Peu de temps après un second article y révèle la présence de dioxyde de souffre (S02), constituant la première preuve d’une photochimie complexe ayant lieu dans les exoplanètes à haute température (cf. article du 26 décembre 2022). En 2023, une équipe de chercheur pointe de nouveau le JWST vers WASP-39b en utilisant cette fois-ci MIRI, l’instrument en infrarouge moyen, afin d’élargir le spectre dans l’infrarouge lointain. Cette nouvelle étude publiée dans la revue Nature confirme la présence du SO2, en mesurant précisant son abondance et ainsi mieux comprendre la photochimie qui façonne l’atmosphère de WASP-39b.

L’étude de WASP-39b entre dans une nouvelle ère avec le JWST

Figure 1 – Les spectres obtenus par les trois instruments proche infrarouge à bord du JWST, NIRSpec, NIRCam et NIRISS, informent les scientifiques sur la composition chimique de l’atmosphère de la géante gazeuse WASP-39b
Crédit : NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI).

WASP-39b est une géante gazeuse de masse équivalente à Saturne dont le diamètre surpasse d’un tiers celui de Jupiter, lui attribuant le statut de « Saturne Chaude ». Ce gonflement extrême est dû à sa température élevée d’environ 900°C liée à sa forte proximité avec son étoile (distance d’environ un huitième de celle Soleil-Mercure). Du fait de son atmosphère étendue et de transits fréquents (passage de la planète devant son étoile dans l’axe de visée de nos télescopes), cette planète offre un terrain propice à l’observation de son atmosphère et un sujet idéal pour l’étude des atmosphère exoplanétaires en spectroscopie de transmission. Les télescopes au sol et spatiaux, avec Hubble et Spitzer, ont permis de révéler la présence de vapeur d’eau (H20), de monoxyde de carbone (CO), de sodium (Na), et de potassium (K).

 

Avec l’arrivée de JWST, cette étude est entrée dans une toute nouvelle ère, avec des observations dépassant considérablement les précédents relevés. En 2022, le JWST pointe ses instruments dans le proche infrarouge (de 1 à 5 µm). Cette nouvelle analyse a permis la détection sans équivoque du dioxyde de carbone (CO2) ainsi que le dioxyde de soufre (SO2) à la liste des gaz détectés (cf. Figure 1). La présence de ce composé soufré, lié à la photochimie, suggère que ce phénomène, jusqu’alors inobservé dans une exoplanète, est un processus clé dans les atmosphères à haute température. Néanmoins, cette dernière détection se basait sur une seule raie moléculaire du SO2 (à 4,05 μm) avec une amplitude réduite dans le spectre de transmission de WASP-39b. Il était crucial d’étendre la gamme spectrale d’observation pour analyser d’autres bandes d’absorption du SO2, permettant ainsi de mieux contraindre son abondance.

MIRI confirme la présence du SO2 et fournit une mesure plus précise de son abondance

Figure 2 – Spectre obtenu avec les données du spectromètre basse résolution (LRS) de MIRI. Les croix jaunes représentent les données, et les lignes colorées, aux meilleurs ajustements de divers modèles d’atmosphères planétaires. Les régions ombrées colorées représentent les incertitudes respectives à chaque modèle de 1σ. Les modèles sont unanimes sur la présence du SO2 aux longueurs d’onde caractéristiques à 7,7 et 8,5 μm. Au-delà de 10 µm, il semble avoir une diminution du spectre probablement dû à une autre source de bruit du détecteur ou à un artefact qui n’est pas encore bien compris.
Crédit : Image tirée de l’article de Powell et al. 2024

C’est désormais chose faite ! En février 2023, WASP-39b est de nouveau observé par le JWST mais dans le moyen infrarouge cette fois-ci, par le spectromètre basse résolution (LRS) de MIRI, entre 5 à 12 µm. Cette étendue spectrale permet l’analyser de deux raies moléculaires caractéristiques supplémentaires de la molécule S02 : à 7,7 et 8,5 μm (Figure 2). En ajustant plusieurs modèles d’atmosphères planétaires, avec des compositions différentes, les chercheurs ont ainsi confirmé la présence du dioxyde de souffre dans l’atmosphère de WASP-39b et d’en contraindre l’abondance à 0,5 à 25 ppm (plage de 1σ), en accord avec des résultats antérieurs. Cette nouvelle étude démontre que la photochimie façonne l’atmosphère de WASP-39b sur une large plage de longueurs d’onde.

L’atmosphère d’une exoplanète révélée par le JWST (WASP39-b)

Le télescope spatial James Webb de la NASA/ESA/CSA a réalisé un nouveau portrait avec une précision inégalée de l’atmosphère de l’exoplanète WASP-39b, une “Saturne chaude” située à quelque 700 années-lumière. Les nouvelles observations sont si précises que les données fournissent même des signes de chimie active et de nuages, ajoutant le dioxyde de Sulfure au palmarès des gaz détectés dans l’atmosphère de la géante gazeuse.

Des télescopes au sol ainsi que spatiaux, tel que les télescopes Hubble et Spitzer, avaient unis leurs performances afin d’obtenir le spectre le plus complet de l’atmosphère possible avec la technologie de l’époque. De la vapeur d’eau (H20), du monoxyde de carbone (CO), du sodium (Na) et du potassium (K) ont ainsi pu être révélés (voir ici pour plus d’informations.)

Spectre obtenu grâce aux télescopes spatiaux Hubble et Spitzer. La ligne bleue représente le modèle atmosphérique qui ajuste au mieux les données – Crédit : NASA, ESA, G. Bacon and A. Feild (STScI), and H. Wakeford (STScI/Univ. of Exeter)

Avec l’arrivée de JWST, cette étude est rentrée dans une toute nouvelle ère, avec des observations dépassant considérablement les précédents relevés.

WASP-39b était l’une des premières cibles de l’observatoire spatiale. Observé par le puissant spectrographe NIRSpec, le dioxyde de carbone (C02) avait été détecté pour la première fois de manière sans équivoque dans l’atmosphère de la planète gazeuse (voir ici).

Récemment, le JWST a déployé ses autres instruments proche infrarouge permettant d’ajouter le dioxyde de soufre (S02) au palmarès des gaz détectés. Ce composé soufré serait produit dans l’atmosphère grâce à la photochimie, phénomène qui n’avait jusqu’à présent jamais été observé dans une exoplanète. 

Les spectres obtenus par les trois instruments proche infrarouge à bord du JWST, NIRSpec, NIRCam et NIRISS, informent les scientifiques sur la composition chimique de l’atmosphère de la géante gazeuse WASP-39 b – Crédit : NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI).

En haut à gauche, sur l’image ci-dessus, les données de NIRISS montrent les empreintes du potassium (K), de l’eau (H2O) et du monoxyde de carbone (CO). En haut à droite, les données de NIRCam montrent une signature d’eau importante. En bas à gauche, les données de NIRSpec indiquent la présence d’eau, de dioxyde de soufre (SO2), de dioxyde de carbone (CO2) et de monoxyde de carbone (CO). En bas à droite, des données supplémentaires de NIRSpec révèlent toutes ces molécules ainsi que du sodium (Na). La ligne bleue représente le modèle atmosphérique qui ajuste au mieux les données, informant sur la quantité des éléments chimiques détectées dans l’atmosphère.

« Le JWST nous permet de confirmer la présence de la vapeur d’eau, de sodium et potassium dans l’atmosphère de WASP39b avec une précision remarquable. Ces nouvelles données nous ont aussi permis de confirmer sans ambiguïté la présence du CO2, précédemment suggérée par nos modèles et des données des télescopes Hubble et Spitzer en 2018; mais aussi de détecter la présence du dioxyde de soufre, inattendue, démontrant pour la première fois que des phénomènes de photochimie sont à l’œuvre dans l’atmosphère d’une exoplanète. Ces résultats ouvrent la voie pour la détection future avec JWST d’autres molécules dans l’atmosphère des exoplanètes. »

affirme Pascal Tremblin, chercheur au CEA/Université Paris, auteur du code ATMO qui modélise les atmosphères des géantes gazeuses.

Le fait de disposer d’une liste aussi complète d’ingrédients chimiques dans l’atmosphère d’une exoplanète permet aux scientifiques d’avoir un aperçu de l’abondance des différents éléments les uns par rapport aux autres, comme les rapports carbone/oxygène ou potassium/oxygène. Cela permet de comprendre comment cette planète – et peut-être d’autres – s’est formée à partir du disque de gaz et de poussière entourant l’étoile hôte lors de sa formation.

Ces résultats ont enthousiasmé la communauté scientifique des exoplanètes car en plus d’informer quant à la composition d’une atmosphère d’une exoplanète, les données fournissent même des signes de chimie active et de nuages.

« Webb fonctionne à merveille et donne déjà des résultats super intéressants ; si le CO2 dans l’atmosphère de WASP39b était bien prédit, par exemple par le code ATMO, l’observation du SO2 a été une surprise et a nécessité le développement de modèles prenant en compte la photochimie. Je suis convaincu que Webb va aussi apporter son lot de surprises lors de l’observation de planètes rocheuses et je suis très impatient d’avoir les premières données sur Trappist1 b ! » s’enthousiasme Pierre-Olivier Lagage, astrophysicien au CEA, directeur du département d’Astrophysique au CEA/Irfu.

Du dioxyde de carbone dans l’atmosphère de l’exoplanète WASP-39 b

Le JWST, avec le spectrographe NIRSPEC, inaugure une nouvelle ère de la science des exoplanètes avec la première détection sans équivoque de dioxyde de carbone dans une atmosphère planétaire en dehors de notre système solaire.

 

WASP-39 b est une géante gazeuse chaude d’une masse d’environ un quart de celle de Jupiter (à peu près la même que Saturne) et d’un diamètre 1,3 fois supérieur à celui de Jupiter. Son gonflement extrême est lié en partie à sa température élevée (environ 900 degrés Celsius). Contrairement aux planètes géantes gazeuses plus compactes et plus froides de notre système solaire, WASP-39 b orbite très près de son étoile – seulement environ un huitième de la distance entre le Soleil et Mercure – complétant un circuit en un peu plus de quatre jours terrestres. La découverte de la planète, rapportée en 2011, a été faite sur la base de détections au sol de la subtile diminution périodique de la lumière de son étoile hôte lorsque la planète « transite », c’est-à-dire qu’elle passe devant l’étoile.

Cette illustration montre à quoi pourrait ressembler l’exoplanète WASP-39 b, d’après la compréhension actuelle de la planète. WASP-39 b est une géante gazeuse chaude et gonflée avec une masse de 0,28 fois celle de Jupiter (0,94 fois celle de Saturne) mais un diamètre 1,3 fois plus grand que Jupiter. Source : NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Les planètes en transit comme WASP-39 b, dont nous observons les orbites par la tranche, peuvent offrir aux chercheurs des occasions idéales de sonder les atmosphères planétaires. Lors d’un transit, une partie de la lumière des étoiles est complètement éclipsée par la planète (ce qui provoque l’assombrissement général) et une partie est transmise par l’atmosphère de la planète.

Parce que différents gaz absorbent différentes combinaisons de couleurs, les chercheurs peuvent analyser de petites différences de luminosité de la lumière transmise à travers un spectre de longueurs d’onde pour déterminer exactement de quoi une atmosphère est faite. Avec sa combinaison d’atmosphère gonflée et de transits fréquents, WASP-39 b est une cible idéale pour la spectroscopie de transmission. Des observations antérieures effectuées avec d’autres télescopes, dont les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer de la NASA, avaient déjà révélé la présence de vapeur d’eau, de sodium et de potassium dans l’atmosphère de la planète. La sensibilité infrarouge inégalée du JWST a maintenant confirmé qu’il y a aussi du dioxyde de carbone.

Une série de courbes de lumière obtenues avec le spectrographe proche infrarouge du JWST (NIRSpec) montre le changement de luminosité dans trois longueurs d’onde (couleurs) différentes de la lumière du système stellaire WASP-39 au fil du temps alors que la planète transitait l’étoile le 10 juillet 2022. Source : NASA, ESA, CSA et L. Hustak (STScI); Science : The JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science Team

Un spectre de transmission de l’exoplanète géante composée de gaz chaud WASP-39 b capturé par NIRSpec  le 10 juillet 2022, révèle les premières preuves claires de la présence de dioxyde de carbone sur une planète en dehors du système solaire. Il s’agit également du premier spectre détaillé de transmission d’exoplanètes jamais obtenu entre 3 et 5,5 microns. Source : Illustration : NASA, ESA, CSA et L. Hustak (STScI); Science : The JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science Team

« Dès que les données sont apparues sur mon écran, l’énorme signal du dioxyde de carbone m’a sauté aux yeux ! C’était un moment spécial, qui nous fait franchir un seuil important dans les sciences des exoplanètes»,

a déclaré Zafar Rustamkulov, un étudiant diplômé à l’Université Johns Hopkins et membre de l’équipe JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science, qui conduit cette recherche.

Aucun observatoire n’a jamais mesuré de telles différences subtiles dans la luminosité de tant de couleurs individuelles sur la plage de 3 à 5,5 microns dans un spectre de transmission d’exoplanète auparavant. L’accès à cette partie du spectre est crucial pour mesurer l’abondance de gaz comme l’eau et le méthane, ainsi que le dioxyde de carbone, qui sont censés exister dans de nombreux types d’exoplanètes.

« La détection d’un signal aussi clair de dioxyde de carbone sur WASP-39 b est de bon augure pour la détection d’atmosphères sur des planètes terrestres plus petites », a déclaré Natalie Batalha de l’université de Californie à Santa Cruz, qui dirige l’équipe.

En effet, cette observation d’une planète géante gazeuse en orbite autour d’une étoile semblable au Soleil à 700 années-lumière fournit des informations importantes sur la composition et la formation de la planète. Cette découverte, acceptée pour publication dans Nature, offre la preuve qu’à l’avenir le JWST pourrait être en mesure de détecter et de mesurer le dioxyde de carbone dans les atmosphères plus minces de petites planètes rocheuses.

Comprendre la composition de l’atmosphère d’une planète est extrêmement important, car cela nous renseigne sur l’origine de la planète et son évolution.

« Les molécules de dioxyde de carbone sont des traceurs sensibles de l’histoire de la formation des planètes. En mesurant cette raie du dioxyde de carbone, nous pouvons déterminer la quantité de matière solide par rapport à la quantité de matière gazeuse utilisée pour former cette planète géante gazeuse. Au cours de la prochaine décennie, le JWST réalisera cette mesure pour diverses planètes, fournissant un aperçu des détails de la formation des planètes et de l’unicité de notre propre système solaire. » a déclaré Mike Line de l’université d’état de l’Arizona, un autre membre de cette équipe de recherche.

Cette observation de NIRSpec de WASP-39 b n’est qu’une partie d’une investigation plus vaste qui inclut des observations de la planète à l’aide de plusieurs instruments du JWST, ainsi que des observations de deux autres planètes en transit. Cette recherche, qui fait partie du programme Early Release Science (diffusion anticipée des résultats scientifiques), a été conçue pour fournir à la communauté scientifique qui s’investit dans des recherches sur les exoplanètes des données du JWST dès que possible.

« L’objectif est d’analyser rapidement les observations et de mettre au point des outils d’accès libre que la communauté scientifique pourra utiliser. Cela permet des contributions de partout dans le monde et garantit que la meilleure science possible sortira des prochaines décennies d’observations» , a expliqué Vivien Parmentier, cochercheuse à l’Université d’Oxford. 

Natasha Batalha, du Centre de recherche Ames de la NASA, coauteure de l’article, ajoute que « les principes directeurs de la science ouverte de la NASA sont centrés sur nos travaux scientifiques de diffusion anticipée, soutenant un processus scientifique inclusif, transparent et collaboratif »

(Texte inspiré du communiqué de Presse 2022-126 du Jet Propulsion Laboratory (JPL) du 25 août 2022)

 Pour visionner l’article (en langue anglaise) qui rapporte cette découverte, cliquer ici. Plusieurs français, ou étrangers travaillant en France collaborent activement de cette entreprise. Il convient de citer l’Université Paris-Saclay, Université Paris Cité, le CEA, le laboratoire d’astrophysique de Bordeaux, l’Université de Nice-Sophia Antipolis, la Maison de la simulation (CEA, CNRS, Université Paris-Sud, USVQ), et l’Université de Paris Est Créteil (LISA, CNRS).  

Jérémy Leconte  (Université de Bordeaux, CNRS), co-auteur de l’article  commente:

“Nous sommes extrêmement  enthousiastes car le télescope marche super bien, si ce n’est mieux que prévu. Cela est d’un excellent augure pour les découvertes à venir. Le CO2 n’est que la première d’une longue liste de nouvelles molécules que l’on va découvrir dans ces atmosphères. Le JWST ouvre une nouvelle ère dans la compréhension des exoplanètes”

Olivia Venot, qui travaille au Laboratoire Interdisciplinaire des Systèmes Atmosphériques du CNRS (LISA), aussi co-auteure de l’article renchérit:

“Ces premières observations provenant du JWST sont vraiment exceptionnelles ! La qualité des données est vraiment sans précédent ce qui permet enfin une détection claire du CO2.
Ces premières données sont vraiment très excitantes et prometteuses pour le futur. On l’attendait depuis des années et on mettait beaucoup d’espoir dans ce télescope, mais c’est confirmé, le JWST va nous permettre d’étudier de façon détaillée l’atmosphère de nombreuses exoplanètes. Il va nous permettre de déterminer avec précision l’abondance de nombreuses molécules, ce qui est crucial pour comprendre l’origine et l’histoire des exoplanètes.
 
Ce qui m’a aussi vraiment impressionné c’est ce travail collaboratif international autour de ces données. Une équipe de plusieurs centaines de chercheurs, provenant de pays et d’institutions différentes, a mis en commun leur différentes expertises pour analyser et publier ces données très rapidement.”

Pascal Tremblin, chercheur au CEA/Université Paris – Saclay, co-auteur de l’article (c’est avec sa modélisation  théorique ZTMO que la prédiction de la présence de CO2 avait été faite. Et les observations se sont révélées absolument conformes aux predictions!), montre aussi le même optimisme quant au futur:

“Ce qui est remarquable est l’accès en spectroscopie à une région du spectre entre l’infrarouge proche et moyen qui nous était inaccessible jusqu’alors avec Hubble et Spitzer, ce qui nous permet d’identifier aujourd’hui le CO2 dans l’atmosphère de wasp39b et nous permettra demain l’identification d’autres molécules dans l’atmosphère de beaucoup d’autres exoplanètes.”

Pierre-Olivier Lagage, astrophysicien au Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), directeur du département d’Astrophysique au CEA/Irfu et l’un des très nombreux coauteurs de ces travaux, est le responsable au sein du consortium Européen MIRI des études sur les exoplanètes. Il ne dit pas autre chose:, mais insiste sur l’aspect “Super-Terre” bien différent de WASP-39 b.  Ainsi a-t’il déclaré à l’AFP et au journal Le Monde (le 25août 2022): 

“Pour moi, c’est une porte qui s’ouvre pour des études futures de super-Terres, voire de Terres”! 

Acceptons-en l’augure, mais une chose est sure: le JWST avec tous ses instruments nous prépare à bien de découvertes sensationnelles, en particulier en ce qui concerne l’étude des atmosphères d’exoplanètes! 

JWST