Une nouvelle manière de sonder l'atmosphère des exoplanètes
Pour la première fois, une nouvelle technique ingénieuse a permis à des astronomes d'étudier en détail l'atmosphère d'une exoplanète - même si elle ne passe pas devant son étoile. Une équipe internationale a utilisé le VLT de l'ESO afin de capturer de manière directe le faible rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) émis par la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa...) Tau Bootis b. Ils ont étudié l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) de la planète et mesuré précisément son orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) et sa masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse grave). Ces...) pour la première fois - résolvant ainsi un problème vieux de 15 ans. Etonnamment, l'équipe à également trouvé que l'atmosphère de la planète semble être plus froide dans sa partie supérieure, à l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un...) de ce qui était attendu. Le résultat sera publié dans l'édition du 28 juin de la revue Nature.


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La planète Tau Bootis b (1) a été l'une des premières exoplanètes à avoir été découverte, en 1996, et elle est toujours parmi les exoplanètes les plus proches de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...) connues à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure...). Bien que l'étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.) de ce système soit facile à voir à l'oeil nu, il n'en est absolument pas de même pour la planète et jusqu'à présent elle n'a pu être détectée que par les effets de sa force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force...) gravitationnelle sur l'étoile. Tau Bootis b est une grosse planète de la catégorie des Jupiters chauds en orbite autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre...) de son étoile à très faible distance.

Comme la plupart des exoplanètes, cette planète ne passe pas devant le disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.) de son étoile (comme le récent transit de Vénus (On appelle transit de Vénus le passage de la planète Vénus exactement entre la Terre et le Soleil, occultant une petite partie du disque solaire. Pendant le...) devant le Soleil). Jusqu'à présent, de tels transits étaient essentiels pour pouvoir étudier l'atmosphère des Jupiters Chauds : quand une planète passe devant son étoile elle laisse l'empreinte des propriétés de son atmosphère sur la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) de l'étoile. Etant donné que la lumière de l'étoile qui rayonne dans notre direction ne passe pas à travers l'atmosphère de Tau Bootis b, cette atmosphère ne pouvait jusqu'à présent pas être étudiée.

Mais maintenant, après 15 années de tentatives pour étudier le faible rayonnement émis par les exoplanètes de type Jupiters chauds, les astronomes ont finalement réussi à analyser de manière fiable la structure de l'atmosphère de Bootis b et à déduire sa masse avec précision pour la première fois. L'équipe a utilisé l'instrument CRIRES (2) sur le VLT à l'Observatoire de Paranal de l'ESO au Chili. Ils ont combiné des observations infrarouges de grande qualité (à des longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière....) autour de 2,3 microns) (3) avec une astuce ingénieuse pour extraire le faible signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes...) de la planète de celui bien plus fort de l'étoile (4).

Matteo Brogi (Leiden Observatory, Pays-Bas), premier auteur de l'article scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) explique : " Grâce à la grande qualité des observations fournies par le VLT et CRIRES, nous avons été capables d'étudier le spectre du système de manière bien plus détaillée que ce n'était possible auparavant. Seulement 0,01% de la lumière que nous avons observée provient de la planète et le reste vient de l'étoile, ce n'était donc pas un exercice facile ".

La majorité des planètes autour d'autres étoiles que le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de...) ont été découvertes par leurs effets gravitationnels sur leur étoile, ce qui limite les informations que l'on peut obtenir sur leur masse : elles permettent seulement de calculer la limite inférieure de la masse de la planète (5). La nouvelle technique expérimentée ici est bien plus puissante. Le fait d'observer directement la lumière de la planète a permis aux astronomes de mesurer l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) de l'orbite de la planète et donc de déduire précisément sa masse. En suivant les changements du mouvement de la planète au cours de son orbite autour de son étoile, l'équipe a pu déterminer de manière fiable et pour la première fois que Tau Bootis b était en orbite autour de son étoile avec un angle de 44 degrés et qu'elle a une masse correspondant à six fois celle de la planète Jupiter dans notre Système Solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis gravitant autour de lui...).

 " Les nouvelles observations du VLT ont permis de répondre à la question non résolue depuis 15 ans au sujet de la masse de Tau Bootis b. Et, cette nouvelle technique signifie également que nous pouvons maintenant étudier l'atmosphère des exoplanètes qui ne passent pas devant leur étoile ainsi que mesurer leur masse avec précision, ce qui était impossible auparavant ", précise Ignas Snellen (Leiden Observatory, Pays-Bas), co-auteur de l'article scientifique. " C'est un grand pas en avant ".

En plus de la détection du rayonnement de l'atmosphère et de la mesure de la masse de Tau Bootis b, l'équipe a également sondé son atmosphère et mesuré le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) de monoxyde de carbone (Le monoxyde de carbone est un des oxydes du carbone. Sa formule brute s'écrit CO et sa formule semi-développée C=O ou –C≡O+, la...) présent ainsi que la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) à différentes altitudes en comparant les observations à des modèles théoriques. Un résultat surprenant issu de ce travail a été de constater que les nouvelles observations indiquaient que la température de l'atmosphère chuteaux altitudes élevées. Ce résultat est exactement à l'opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une...) de l'inversion de température - une augmentation de la température avec l'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et...) - que l'on a trouvée dans le cas d'autres expolanètes de type Jupiters chauds (6) (7).

Les observations montrent que la spectroscopie de haute résolution effectuée avec des télescopes au sol est un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions...) précieux pour étudier l'atmosphère des exoplanètes sans transit. Dans le futur, la détection de différentes molécules permettra aux astronomes d'en apprendre plus sur les conditions atmosphériques de la planète. En les mesurant au cours de l'orbite de la planète, les astronomes pourraient même être capables de suivre les changements atmosphériques entre le matin et le soir sur la planète.

" Cette étude montre l'énorme potentiel des télescopes au sol d'aujourd'hui et de demain, tel que l'E-ELT. Un jour nous pourrons peut-être même trouver la preuve d'une activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) biologique sur des planètes semblables à la Terre de cette manière ", conclut Ignas Snellen.

Notes

(1) Le nom de la planète, Tau Bootis b est une combinaison (Une combinaison peut être :) du nom de l'étoile (Tau Bootis ou ? Bootis, ? est la lettre grecque "tau" et non pas la lettre "t") avec la lettre "b" qui indique qu'il s'agit de la première planète trouvée autour de cette étoile. L'appellation Tau Bootis est utilisée pour la planète elle même.

(2) CRyogenic InfraRed Echelle Spectrometer

(3) Dans les longueurs d'onde infrarouges, l'étoile émet moins de lumière qu'en lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.), donc c'est une gamme de longueurs d'onde propice à l'extraction du faible signal émis par la planète.

(4) Cette méthode utilise la vitesse (On distingue :) de la planète en orbite autour de l'étoile pour distinguer son rayonnement de celui de l'étoile ainsi que des émissions provenant de l'atmosphère terrestre. Cette même équipe d'astronomes a testé cette technique précédemment sur une planète en transit, mesurant sa vitesse orbitale (La vitesse orbitale d'un corps céleste, le plus souvent une planète, un satellite naturel, un satellite artificiel ou une étoile binaire, est la vitesse à laquelle il orbite autour du barycentre d'un système à deux corps, soit donc...) alors qu'elle passait devant le disque de l'étoile.

(5) Ceci est dû au fait que l'inclinaison (En mécanique céleste, l'inclinaison est un élément orbital d'un corps en orbite autour d'un autre. Il décrit l'angle entre le plan de l'orbite et le plan de référence (généralement le plan de l'écliptique, c'est-à-dire le plan...) de l'orbite n'est habituellement pas connue. Si l'orbite de la planète est inclinée par rapport à la ligne de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) entre la Terre et l'étoile, alors dans ce cas, le mouvement observé de l'étoile, d'avant en arrière, peut être le même qu'il soit provoqué par une planète massive (Le mot massif peut être employé comme :) ou par une planète plus légère qui aurait une orbite moins inclinée et il n'est pas possible de séparer les deux effets.

(6) On pense que les inversions thermiques sont caractérisées par des composants moléculaires en émission plutôt qu'en absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux...) dans le spectre, d'après l'interprétation des observations photométriques des Jupiters chaud avec le télescope spatial Spitzer (Le télescope spatial Spitzer est le plus gros télescope infrarouge lancé par la NASA. Ces longueurs d'ondes ne pouvant être observées utilement depuis le sol, seul un objet à l'extérieur de...). L'exoplanète (Une exoplanète, ou planète extrasolaire, est une planète orbitant autour d'une étoile autre que le Soleil. La plupart des exoplanètes découvertes à ce jour orbitent autour d'étoiles situées à...) HD209458b est le meilleur exemple étudié d'inversions thermiques dans l'atmosphère d'une exoplanète.

(7) Cette observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) est en accord avec les modèles suivant lesquels une forte émission ultraviolette associée à l'activité de la chromosphère (La chromosphère est la couche de gaz de couleur rose, transparente pour la lumière visible, qui entoure la photosphère.) - semblable à celle que l'on voit sur l'étoile autour de laquelle Tau Bootis b est en orbite - est responsable du blocage de l'inversion de température. 
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