Auscultation d’un mini-Neptune : prise de température avec l’instrument MIRI du JWST

Découverte en 2009, l'exoplanète GJ1214b orbite autour d'une petite étoile située à seulement 40 années-lumière de nous. Avec une masse environ six fois supérieure à celle de la Terre et une atmosphère constituée d’hydrogène et d’hélium, elle est considérée comme un « mini-Neptune ».

Une équipe de la NASA, en collaboration avec des chercheurs du CEA Paris-Saclay, ont pointé le JWST vers la planète en utilisant l'instrument MIRI, réalisé par le CEA Paris-Saclay, durant une quarantaine d’heures. Cette observation inédite a permis d'obtenir pour la première fois la courbe de phase d’une exoplanète avec MIRI, c'est-à-dire le suivi complet de la rotation de la planète autour de son étoile.

Suivre ainsi l'évolution de l'émission du système exoplanète-étoile, a permis à l'équipe de chercheurs de déterminer la température de la planète avec une très bonne précision, à 9° près : 280°C côté jour et 164°C côté nuit. En comparant les observations aux modèles d’atmosphères, les chercheurs en déduisent que 1. Le faible écart de température entre les deux faces en dépit du fait que la planète soit en rotation synchrone signifie qu’il y un bon échange d’énergie entre les faces dû à une atmosphère dense. 2. La relative faible température côté jour au regard de la proximité de la planète à son étoile indique qu’une grande partie du rayonnement stellaire est réfléchie par une couche d’aérosols en haute atmosphère de l’exoplanète. Le type d’aérosol avec une telle propriété n’a pas encore pu être déterminé. 3. L’atmosphère contient beaucoup d’éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium, probablement de l’eau en abondance.

Les résultats sont publiées dans la prestigieuse revue Nature.

Figure1 – Illustration comparant l’exoplanète sub-Neptune GJ 1214 b à la Terre et à Neptune, qui se situe entre les deux planètes en termes de rayon, de masse et de densité. Crédit : NASA, ESA, CSA et D. Player (STScI)

GJ1214b est une exoplanète très intéressante à plusieurs titres :

Elle fait partie d’une classe d’exoplanètes dont nous n’avons pas d’équivalent dans le système solaire : les mini-Neptunes (8M⊕ et 2.7R⊕), très nombreuses dans notre galaxie ;
Elle est très proche de son étoile et en fait un tour complet en 37,9 heures ;
Elle est en rotation dite synchrone, ce qui veut dire qu’elle fait un tour sur elle-même pendant qu’elle fait un tour autour de son étoile. Elle présente donc toujours la même face à l’étoile. Par conséquent, il y a un côté jour chauffé par l’étoile et un côté nuit. Un exemple de rotation synchrone proche de nous est la Lune qui fait un tour sur elle-même pendant qu’elle fait un tour autour de la Terre, si bien que c’est toujours la même face de la Lune qui est vue de la Terre.
Elle est « transitante », c’est-à-dire que nous pouvons observer depuis la Terre son passage devant l’étoile. Lorsqu’elle passe devant son étoile (transit), c’est son côté nuit qui nous fait face. Comme son orbite est circulaire, on peut aussi observer sa « disparition » derrière l’étoile (éclipse); juste avant et après l’éclipse, c’est son côté jour qui nous fait face. De plus, on peut suivre l’évolution de l’émission du système exoplanète-étoile en fonction de la position de l’exoplanète sur son orbite (voir Figure 2). La courbe décrivant l’évolution du signal en fonction du temps est appelé la courbe de phase.

Figure 2 – Schéma simplifié d’une courbe de phase d’exoplanète, soit le changement de la luminosité totale d’un système stellaire et des planètes lorsque la planète orbite autour de l’étoile. Le système apparaît plus lumineux lorsqu’une plus grande partie du côté éclairé de la planète fait face au télescope (phase complète) et devient plus sombre lorsque le côté sombre fait face au télescope (nouvelle phase). Crédit : NASA, ESA, CSA, Danny Player (STScI)

Pour mieux comprendre la nature de cet objet, il est important de caractériser son atmosphère. Les premières observations avec le télescope spatial Hubble ont mis en évidence une couche d’aérosols en haute altitude, qui empêche de voir ce qui se passe en dessous.

Pour poursuivre la caractérisation de cette atmosphère, l’instrument MIRI du JWST était tout indiqué pour deux raisons :

la lumière InfraRouge que détecte MIRI a la propriété de pouvoir traverser les nuages
compte tenu de la température attendue (de l’ordre de 300°C) l’essentiel de la lumière émise par l’exoplanète se trouve dans le domaine Infrarouge détecté par MIRI.

Le JWST a été pointé sur le système GJ1214 pendant une quarantaine d’heures, un peu plus que le temps que met l’exoplanète pour faire un tour autour de son étoile. Le mode basse résolution spectrale de l’imageur MIRIm de l’instrument MIRI, réalisé au CEA Paris-Saclay, a été utilisé. La Figure 3 représente la courbe de phase ainsi obtenue. C’est l’observation continue d’une exoplanète la plus longue réalisée à ce jour avec le JWST et la première courbe de phase avec l’instrument MIRI du JWST. Le JWST conserve une stabilité remarquable sur cette échelle de temps permettant une telle prouesse.

Figure 3 – Courbe de phase en lumière blanche de GJ1214b obtenu avec l’instrument MIRIm du JWST. a. Courbe de phase intégrée de 5-12 µm. On y voit clairement le transit et les deux éclipses aux phases orbitales 0.0 et ±0.5 respectivement. Les points noirs représentent les données et ceux en rouge, les données moyennées par segment de 5 degrés. La ligne noire est le meilleur modèle ajustant les observations. b. Identique au panneau a, mais zoomé sur la modulation de phase de l’émission thermique de la planète. La ligne noire en pointillé indique le flux stellaire (supposé constant) en l’absence de toute émission de la planète. c. Résidus des données binées du modèle astrophysique avec les barres d’erreur à 1σ. (crédit : https://arxiv.org/abs/2305.06240)

La température côté jour a pu être déterminée : 280°C avec une très bonne précision (9°), ainsi que la température côté nuit : 164°C. La planète est chauffée par l’énergie lumineuse qu’elle reçoit de l’étoile du côté jour. La relative faible différence de température entre le côté jour et le côté nuit montre qu’il y a un bon échange d’énergie entre les 2 côtés grâce à l'atmosphère de la planète.

Un bilan énergétique de GJ1214b a pu être fait entre l’énergie lumineuse reçu de son étoile et l’énergie lumineuse émise par l’exoplanète. A partir de ce bilan, il a pu être montré qu’une grande partie de la lumière de l’étoile était réfléchie par la couche d’aérosols en haute atmosphère de l’exoplanète et ne participait pas au chauffage de l’exoplanète. Le type d’aérosol avec une telle propriété n’a pas encore pu être déterminé.

Autre information importante obtenue en comparant les observations avec les modèles qui calculent l’émission d’atmosphères : l’atmosphère contient beaucoup d’éléments plus lourds que l’hydrogène et l’Helium, probablement de l’eau en abondance. D’autres études sont nécessaires pour affiner les résultats. Mais il est fascinant de voir que grâce au JWST et notamment MIRI, on peut aller « ausculter » des mondes si éloignés de ceux que nous connaissons dans notre système solaire.

Contacts DAp: Elsa Ducrot, Achrene DYREK, Pierre-Olivier Lagage