Une planète gonflée comme un ballon
Publié par Redbran le 11/12/2018 à 14:00
Source: Université de Genève (UNIGE)
Des chercheurs de l'UNIGE ont découvert de l'hélium dans l'atmosphère d'une exoplanète, gonflée comme un ballon.


Image d'artiste de l'exoplanète HAT-P-11b avec son atmosphère étendue d'hélium soufflée par 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.), une étoile naine orange plus petite, mais plus active, que le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...). © Denis Bajram

Bien que rare sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et...), l'hélium est omniprésent dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). C'est, après l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), le composant principal des étoiles et des planètes géantes gazeuses. Malgré son abondance, l'hélium n'a été détecté que très récemment dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) d'une géante gazeuse (Les géantes gazeuses sont les plus grandes des planètes. Elles sont dites gazeuses, par opposition aux planètes telluriques, en raison de...) par une équipe internationale incluant des astronomes de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au...) de Genève (UNIGE). L'équipe, menée pour cette étude par les chercheurs genevois, a pu observer en détail et pour la première fois la manière dont ce gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme...) s'échappe de l'atmosphère surchauffée d'une 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...), littéralement gonflée à l'hélium. Des résultats à lire dans la revue Science.

L'hélium est le second élément le plus abondant de l'Univers. Prédit au début des années 2000 comme l'une des meilleures signatures possibles de l'atmosphère d'exoplanètes, ces planètes tournant 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 Accipiter, soit...) d'autres étoiles que le Soleil, il a fallu attendre 18 ans pour que les astronomes l'y dénichent enfin. La faute à une signature observationnelle d'une couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) très particulière, située dans l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.), hors de portée de la plupart des instruments utilisés jusqu'alors. La découverte, finalement obtenue cette année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) à l'aide du télescope spatial Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue un tour complet de la Terre toutes les 100 minutes. Il est nommé en l'honneur de...), restait délicate à interpréter. Mais des astronomes de l'UNIGE, membres du pôle de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) national PlanetS et qui avaient participé à la découverte initiale, ont exploité les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) d'un tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) nouvel instrument: un spectrographe infrarouge à très haute résolution appelé Carmenes.

Détecter les couleurs des planètes grâce à Carmenes

Un spectrographe décompose 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...) d'une étoile en ses différentes couleurs, sous la forme d'un arc-en-ciel (Un arc-en-ciel est un phénomène optique et météorologique qui rend visible le spectre continu de la lumière du ciel quand le soleil brille pendant la pluie. C'est un arc coloré avec le rouge à...). La "résolution" d'un spectrographe est une mesure indiquant le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de couleurs qu'il est possible de distinguer. Si l'œil humain ne peut distinguer aucune couleur au-delà du rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) sans caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la télévision ou la vidéo.) adaptée, l'œil infrarouge de Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue un tour...) est déjà capable d'y distinguer quelques centaines de couleurs. Ce qui s'est avéré juste suffisant pour distinguer celle de l'hélium. L'instrument Carmenes, installé au télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique...) de 4 mètres de l'observatoire Calar Alto en Andalousie, est pour sa part capable de distinguer plus de 100'000 couleurs dans l'infrarouge !

Cette haute résolution spectrale a permis à l'équipe de décomposer la signature de l'hélium avec une finesse inégalée et de localiser la position des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...) d'hélium avec une grande précision, dans l'atmosphère d'une 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 gravité la maintienne en équilibre hydrostatique, c'est-à-dire...) gazeuse de la taille de Neptune (environ quatre fois plus grosse que la Terre). Située dans la constellation (Une constellation est un ensemble d'étoiles dont les projections sur la voûte céleste sont suffisamment proches pour qu'une civilisation les relie par des...) du Cygne (Cygnus est un genre d'oiseaux de la famille des Anatidae. C'est le genre des cygnes, de grands oiseaux aquatiques de la famille des anatidés.) à 124 années-lumières de la Terre, HAT-P-11b est une "Neptune tiède" (550°C tout de même !), vingt fois plus proche de son étoile que la Terre du Soleil. "Nous soupçonnions que cette proximité avec l'étoile devait avoir un fort impact sur l'atmosphère de la planète", raconte Romain Allart, doctorant (Un doctorant est un chercheur débutant s'engageant, sous la supervision d'un directeur de thèse, dans un projet de recherche sur une durée variable selon les pays et les statuts, comprenant...) à l'UNIGE et premier auteur de l'étude. "Les nouvelles observations sont si précises que le doute n'est plus permis: l'atmosphère de la planète est gonflée par le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) de l'étoile et s'échappe dans l'espace", s'enthousiasme-t-il.

Une planète gonflée à l'hélium

Ces résultats observationnels sont supportés par une simulation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et...), menée par Vincent Bourrier, co-auteur de l'article de Science et membre du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration...) européen FOUR (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage puissant, qui transforme, par la chaleur les produits et les objets. En cuisine, il permet...) ACES*, qui a permis de retracer les trajectoires des atomes d'hélium: "L'hélium est soufflé du côté 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...) de la planète à son côté nuit à plus de 10'000 km/h", explique-t-il. "Puis, comme c'est un gaz très léger, il échappe facilement à l'attraction de la planète et forme un nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage...) étendu autour de celle-ci." Ce qui donne à HAT-P-11b la forme d'un ballon... gonflé à l'hélium !

Ce résultat ouvre une nouvelle fenêtre (En architecture et construction, une fenêtre est une baie, une ouverture dans un mur ou un pan incliné de toiture, avec ou sans vitres.) pour observer les conditions atmosphériques extrêmes régnant sur les exoplanètes les plus chaudes. Les observations de Carmenes prouvent en effet que ce type d'études, longtemps réservées au seul télescope spatial (Un télescope spatial est un télescope placé au delà de l'atmosphère. Le télescope spatial présente l'avantage par rapport...) Hubble, peuvent être menées encore plus finement avec des télescopes au sol. "C'est une période très excitante pour la recherche de signatures atmosphériques dans les exoplanètes", se réjouit Christophe Lovis, maître d'enseignement (L'enseignement (du latin "insignis", remarquable, marqué d'un signe, distingué) est une pratique d'éducation visant à développer les connaissances d'un...) et de recherche à l'UNIGE et co-auteur de l'étude. Car en plus des observations actuelles, les astronomes de l'UNIGE sont également fortement impliqués dans l'exploitation et la conception de deux nouveaux spectrographes infrarouges à haute résolution, similaires à Carmenes. Un nouvel instrument, le Spectro-Polarimètre InfraRouge (SPIRou) vient en effet de débuter une campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés habités, elle s'oppose aux concepts de ville, d'agglomération ou de...) d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...) depuis Hawaï (Hawaï ou Hawaii (en hawaïen : Hawai‘i ; en anglais : Hawaii) est un État des États-Unis situé dans l'océan Pacifique, à...), tandis que le Département d'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit pas être confondue avec la...) de l'UNIGE abrite les premiers tests du Near Infrared Planet (Un Planet est un site Web dynamique qui agrège le plus souvent sur une seule page, le contenu de notes, d'articles ou de billets publiés sur des blogs ou sites Web afin d'accentuer leur...) Searcher (NIRPS), qui rejoindra le Chili fin 2019. "Ce résultat va renforcer l'intérêt de la communauté 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.) pour ces instruments. Leur nombre et leur répartition géographique nous permettra de couvrir l'intégralité du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) à la recherche d'exoplanètes qui s'évaporent", conclut Christophe Lovis.

Note:
*FOUR ACES, Future of Upper Atmospheric Characterisation of Exoplanets with Spectroscopy, est un projet financé par une bourse Consolidator du Conseil européen pour la Recherche (ERC) dans le cadre du programme de recherche et d'innovation Horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique, philosophie, littérature, et bien d'autres domaines :) 2020 de la Commission européenne (bourse n°724427).


Contacts chercheurs:
- Romain Allart - Doctorant au Département d'astronomie - Faculté des sciences
- Vincent Bourrier - Post-doctorant au Département d'astronomie - Faculté des sciences
- David Ehrenreich - Professeur associé au Département d'astronomie - Faculté des sciences

Référence publication:
Cette recherche est publiée dans Science DOI: 10.1126/science.aat5879
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