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Les vents de l’autre monde

Un groupe de scientifiques dirigé par le PRN-PlanèteS et l’Université de Genève a étudié la configuration des vents d’une exoplanète dans des conditions extrêmes. Leurs connaissances peuvent également nous aider à comprendre les atmosphères d’autres mondes. Y compris la nôtre.

Imaginez que vous regardiez la Terre depuis l’espace. Votre tâche serait de discerner les schémas généraux de mouvement dans son atmosphère.

Pour aggraver les choses, vous seriez à des années-lumière de la Terre et ne disposeriez que de peu d’informations sur la différence de lumière solaire observée, lorsque la Terre passerait devant le Soleil.

Cela vous donne une idée de la situation dans laquelle se trouvent les chercheurs des exoplanètes.

Un Jupiter chaud avec du sodium

Des chercheurs comme Julia Seidel du PRN PlanetS et ses collègues. L’équipe s’est mise en quête de la configuration des vents d’une exoplanète du nom de HD189733b, située à quelque 64 années-lumière. Il s’agit d’une planète gazeuse, un peu comme Jupiter, qui se trouve à proximité de son étoile. Tellement proche que si vous regardiez le ciel depuis sa surface, l’étoile représenterait environ un quart de ce que vous verriez.

Naturellement, la planète est très chaude. Sa température moyenne est de plus de 3000 degrés Celsius. “Toute cette chaleur fait gonfler l’atmosphère entière”, comme l’explique Seidel. “Tout s’évapore et l’atmosphère s’étend bien au-delà de ce que vous attendez.”

Pour avoir une meilleure idée des mécanismes physiques de cette atmosphère “gonflée”, les scientifiques ont utilisé le spectrographe “HARPS” du télescope de 3,6 mètres de l’Observatoire européen austral à La Silla, au Chili. Avec lui, ils ont mesuré les changements de lumière provoqués par le passage de la planète entre l’instrument et l’étoile. C’est ce qu’on appelle un transit.

Certains de ces changements sont dus aux gaz de l’atmosphère de la planète, qui absorbent la lumière. Parmi eux, les gaz sodiques, qui absorbent assez fortement dans le spectre jaune, avec un motif distinctif – le “doublet de sodium”. Le schéma mesuré par les scientifiques est présenté ci-dessous.

Le spectre de transmission de HD189733b pour le doublet de sodium (en gris) tel que mesuré par Seidel et al., 2020.

 

“La raison pour laquelle nous avons examiné le sodium est qu’il est détectable dans une grande partie de l’atmosphère”, explique Seidel à PlanetS. “Les parties inférieures des pics d’absorption du sodium, qui correspondent aux couches de l’atmosphère situées sous la thermosphère, présentent un élargissement significatif”, explique-t-elle.  “Plus que ce à quoi on pourrait s’attendre, même en tenant compte de l’élargissement de la pression et de la température”.

Une caractéristique qui pointe vers les vents forts induisant ce qu’on appelle

La plupart d’entre nous connaissent l’effet Doppler. C’est ce qui provoque la différence de tonalité d’une ambulance qui passe.

Ce que nous appelons la hauteur tonale est liée à la fréquence des ondes sonores. Lorsque la fréquence augmente, c’est-à-dire lorsque plus d’ondes nous atteignent par temps, la hauteur tonale augmente. Dans le cas de l’ambulance, cela est dû à son mouvement vers nous.

Le même effet peut être observé pour d’autres types d’ondes. Les sources de lumière, par exemple, apparaissent plus rouges lorsqu’elles s’éloignent de nous. Cela est dû au fait que la fréquence diminue. En astronomie, cet effet – appelé Redshift – a longtemps été utilisé pour déterminer que l’univers se dilate.

Lorsque la lumière émise par son étoile traverse l’atmosphère de HD 189733b, certaines de ses parties interagissent avec le sodium. Les molécules de sodium, cependant, sont déplacées par des vents forts. De notre point de vue, certaines se dirigent vers nous, d’autres s’éloignent de nous. Leur lumière réémise est donc décalée dans son spectre, qui est alors mesuré comme l’élargissement.

 

Par conséquent, l’extension de l’atmosphère vers l’extérieur semblait provenir de vents situés sous la thermosphère.

Mais quel type de vent pourrait générer l’élargissement que les mesures ont révélé ?

 

L’extrême est plus simple…

Sur Terre, la configuration des vents est assez complexe. Aux latitudes moyennes, les vents soufflent principalement de l’ouest. Plus loin, vers les pôles et l’équateur, ils viennent de l’est. Les configurations se déplacent vers le nord et le sud avec les saisons et peuvent changer avec l’altitude.

Sur HD189733b, les choses sont plus simples. En raison de la chaleur extrême et d’autres paramètres tels que la gravité planétaire, seules trois configurations à grande échelle (et leurs combinaisons) étaient probables :

  1. le vent soufflant constamment du côté jour de la planète vers le côté nuit (comme la Lune fait toujours face à la Terre avec le même côté, HD189733b fait face à son étoile)
  2. le vent, qui souffle le long de l’axe de rotation, plus vite que la vitesse de rotation de la planète
  3. vent vertical qui souffle vers le haut

 

Ces modèles ont ensuite été générés avec des modèles relativement simples de l’atmosphère, qui utilisaient de manière économique la puissance de calcul disponible. Cependant, ils contenaient une couche supérieure et une couche inférieure qui combinaient différentes configurations de vent. Par exemple, la couche inférieure pouvait présenter des vents de jour à la nuit et des vents verticaux se produisaient dans la couche supérieure.

Configurations de vent plausibles de HD189733b, telles que calculées par Seidel et al, 2020.

 

Sur la base de ces atmosphères modélisées, les scientifiques ont créé des spectres de transmission artificiels pour le sodium (comme celui montré ci-dessus) qui pouvaient être comparés aux mesures réelles. Cette comparaison a fourni des informations sur les modèles et leurs variations qui pouvaient reproduire au mieux les observations et donc être les plus probables.

Les résultats ne sont pas concluants pour la couche inférieure, sous la thermosphère. Mais ils indiquent que la couche supérieure est dominée par les vents verticaux. Et des vents extrêmes : la meilleure estimation indique une vitesse plusieurs fois supérieure à celle du son. Ces vitesses extrêmement élevées peuvent être influencées par un fort champ magnétique dans la région équatoriale de la planète.

 

…mais des questions demeurent

Julia Seidel est doctorante à l’Université de Genève /PlanetS.

Seidel et al. et al. proposent donc une réponse à la question de l’atmosphère “gonflée” sur HD189733b et de la cause de l’élargissement Doppler : les vents verticaux extrêmes dans les couches supérieures de l’atmosphère.

Mais comme souvent, cette réponse ne va pas sans poser de nouvelles questions. Par exemple, concernant ce qui se passe plus près de la surface. “La qualité actuelle des données ne nous permet pas de distinguer les régimes de vent dans la basse atmosphère”, écrit le groupe dans sa publication.

Des recherches plus poussées avec de nouvelles générations d’instruments leur permettront d’améliorer leur compréhension. La compréhension, qui peut ne pas être pertinente uniquement pour les Jupiters chauds.

“En fin de compte”, dit Julia Seidel, “la compréhension de ces mondes extrêmes nous aide à apprécier le délicat équilibre qui nous permet d’habiter la Terre. La différence des conditions qui permettent à une vie avec des Gin Tonics d’être telle qu’elle mène à un enfer n’est pas si grande”.

Reference: V. Seidel, D. Ehrenreich, L. Pino, V. Bourrier, B. Lavie, R. Allart, A. Wyttenbach et C. Lovis, Wind of change : retrieving exoplanet atmospheric winds from high-resolution spectroscopy, DOI https://doi.org/10.1051/0004-6361/201936892, publié dans Astronomy & Astrophysics, 17 janvier 2020

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