La nouvelle carte de WASP-18b, une exoplanète chaude de Jupiter située à environ 325 années-lumière de la Terre, révèle une atmosphère avec des zones de température distinctes – si torrides qu’elles décomposent la vapeur d’eau.
La carte de WASP-18b est la première à appliquer une technique appelée cartographie d’éclipse 3D, ou cartographie spectroscopique d’éclipse.
Cette étude s’appuie sur un modèle 2D publié en 2023 par les membres de la même équipe, qui a démontré le potentiel de la cartographie des éclipses pour exploiter les observations hautement sensibles du télescope spatial James Webb NASA/ESA/CSA.
« Cette technique est vraiment la seule capable de sonder les trois dimensions à la fois : la latitude, la longitude et l’altitude », a déclaré le Dr Megan Weiner Mansfield, astronome à l’Université du Maryland et à l’Université d’État de l’Arizona.
« Cela nous donne un niveau de détail plus élevé que jamais auparavant pour étudier ces corps célestes. »
Grâce à cette technique, l’astronome peut désormais commencer à cartographier les variations atmosphériques de nombreux types similaires d’exoplanètes observables par Webb, tout comme les télescopes terrestres observaient il y a longtemps la grande tache rouge de Jupiter et la structure des nuages en bandes.
« La cartographie des éclipses nous permet d’imager des exoplanètes que nous ne pouvons pas voir directement, car leurs étoiles hôtes sont trop brillantes », a déclaré le Dr Ryan Challener, astronome à l’Université Cornell et à l’Université du Maryland.
« Avec ce télescope et cette nouvelle technique, nous pouvons commencer à comprendre les exoplanètes de la même manière que nos voisines du système solaire. »
La détection des exoplanètes est difficile : elles émettent généralement bien moins de 1 % de la luminosité d’une étoile hôte.
La cartographie des éclipses nécessite de mesurer de petites fractions de ce total lorsqu’une planète tourne derrière son étoile, obscurcissant et révélant des parties de celle-ci en cours de route.
Les scientifiques peuvent relier d’infimes changements de lumière à des régions spécifiques pour produire une carte de luminosité qui, lorsqu’elle est réalisée en plusieurs couleurs, peut être convertie en températures en trois dimensions : latitude, longitude et altitude.
« Vous recherchez des changements dans de minuscules parties de la planète au fur et à mesure qu’elles disparaissent et réapparaissent, c’est donc extrêmement difficile », a déclaré le Dr Challener.
WASP-18b, qui a à peu près la masse de 10 Jupiters, orbite en seulement 23 heures et a des températures approchant les 2 760 degrés Celsius (5 000 degrés Fahrenheit) – a fourni un signal relativement fort, ce qui en fait un bon test pour la nouvelle technique de cartographie.
Alors que la carte 2D précédente utilisait une seule longueur d’onde de lumière, ou couleur, la carte 3D réanalysait les mêmes observations de l’instrument NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) de Webb dans de nombreuses longueurs d’onde.
« Chaque couleur correspondait à différentes températures et altitudes au sein de l’atmosphère gazeuse de WASP-18b qui pouvaient être reconstituées pour créer la carte 3D », a déclaré le Dr Challener.
« Si vous construisez une carte à une longueur d’onde que l’eau absorbe, vous verrez l’eau dans l’atmosphère, alors qu’une longueur d’onde que l’eau n’absorbe pas sondera plus profondément. »
« Si vous les rassemblez, vous pouvez obtenir une carte 3D des températures dans cette atmosphère. »
La nouvelle vue a confirmé des régions spectroscopiquement distinctes – différant en température et éventuellement en composition chimique – du côté jour visible de WASP-18b, le côté toujours face à l’étoile en raison de son orbite verrouillée par les marées.
La planète présente un « point chaud » circulaire où la lumière des étoiles la plus directe atterrit et où les vents ne sont apparemment pas assez forts pour redistribuer la chaleur.
Autour du point chaud se trouve un « anneau » plus froid, plus proche des bords extérieurs visibles de la planète, ou membres.
Notamment, les mesures ont montré des niveaux de vapeur d’eau dans le point chaud inférieurs à la moyenne du WASP-18b.
« Nous pensons que cela prouve que la planète est si chaude dans cette région qu’elle commence à décomposer l’eau », a déclaré le Dr Challener.
« Cela avait été prédit par la théorie, mais c’est vraiment passionnant de voir cela avec des observations réelles. »
« Des observations supplémentaires de Webb pourraient contribuer à améliorer la résolution spatiale de la première carte d’éclipse 3D. »
« Cette technique peut déjà aider à éclairer les cartes de température d’autres Jupiters chauds, qui constituent des centaines des plus de 6 000 exoplanètes confirmées à ce jour. »
« C’est très excitant de disposer enfin des outils nécessaires pour voir et cartographier les températures d’une planète différente avec autant de détails », a déclaré le Dr Mansfield.
« Cela nous permet d’utiliser éventuellement la technique sur d’autres types d’exoplanètes. Par exemple, si une planète n’a pas d’atmosphère, nous pouvons toujours utiliser la technique pour cartographier la température de la surface elle-même afin d’éventuellement comprendre sa composition. »
« Même si WASP-18b était plus prévisible, je pense que nous aurons la chance de voir des choses auxquelles nous n’aurions jamais pu nous attendre auparavant. »
