L’élément le plus lourd jamais détecté dans l’atmosphère d’une exoplanète

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I VLT ESO
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Les exoplanètes WASP-76 b et WASP-121 b fascinent les astronomes depuis leur découverte, il y a environ trois ans. Qualifiées à juste titre « d’exoplanètes exotiques », ces deux géantes ultra-chaudes de type jupitérien sont les sites de phénomènes étonnants, et réservent encore leur lot de surprises. Une observation de routine avec le Very Large Telescope (VLT) de l’ESO a récemment révélé (accidentellement) la présence de baryum dans leurs hautes atmosphères. La découverte est déroutante, car il s’agit de l’élément chimique le plus lourd jamais détecté dans l’atmosphère d’une exoplanète, un élément que l’on s’attendrait plutôt à trouver plus en profondeur dans les couches de gaz.

WASP-76 b et WASP-121 b, distantes respectivement de 640 années-lumière et 855 années-lumière de la Terre, sont sans doute les exoplanètes les plus fascinantes étudiées jusqu’ici. Dites jupitériennes en raison de leur taille et de leur état gazeux, elles se caractérisent par des températures extrêmement chaudes dépassant les 1000 °C la nuit et atteignant les 2400 °C le jour. Ces températures s’expliquent notamment par leur proximité avec leurs étoiles hôtes.

Cette proximité fait aussi que nombre de phénomènes fascinants se déroulent en leur sein. WASP-76 b est par exemple « gravitationnellement verrouillée », c’est-à-dire que sa période de rotation autour de son axe équivaut à sa période de révolution, qui n’est que de un à deux jours seulement. Cet effet de synchronisation fait qu’elle présente toujours la même face à son étoile, surface qui reçoit des rayonnements des milliers de fois supérieurs à ceux que la Terre reçoit du Soleil.

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La différence de température entre les faces nocturnes et diurnes conduit à des vents extrêmement violents, ainsi qu’à la fragmentation des molécules et à l’évaporation des métaux. Cet ensemble d’évènements conduit également à une différence de chimie de surface pendant la journée et la nuit.

Grâce aux anciennes observations du nouvel appareil optique baptisé ESPRESSO, dont le VLT s’est doté il y a peu, les astronomes ont découvert une forte signature de vapeur de fer au crépuscule de WASP-76 b. Mais étrangement, aucune vapeur métallique n’aurait été détectée aux aurores de la planète. Une partie de cette vapeur de fer est soufflée vers le côté nocturne de la planète, sous l’effet de sa rotation et de sa circulation atmosphérique. En se retrouvant dans un environnement à plus basse température, la vapeur se condense et retombe sous forme de pluie.

Les astronomes ont alors été très surpris de retrouver du baryum à des altitudes aussi élevées dans l’atmosphère des deux exoplanètes. Plus lourd que le fer, il est en effet aussi étonnant qu’inattendu de retrouver cet élément dans la haute atmosphère, et ce sans qu’il ne retombe en pluie à la surface, à l’instar du fer.

« C’était en quelque sorte une découverte accidentelle », explique Azevedo Silva, auteur principal de la nouvelle étude et doctorant à l’université de Porto et à l’Institut d’astrophysique de Ciências do Espaço (Portugal). « Nous n’attendions ni ne recherchions de baryum en particulier et nous avons dû vérifier qu’il provenait bien de la planète, puisqu’il n’avait jamais été détecté sur une exoplanète auparavant », ajoute-t-il.

Une phénomène inattendu et encore inexpliqué

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La composition atmosphérique des deux exoplanètes a été analysée par le biais de la lumière qu’elles émettent. Le VLT a pu détecter plusieurs éléments, dont le baryum, soulevant des questions inexplorées jusqu’ici. Cet élément est en effet 2,5 fois plus lourd que le fer, et compte tenu de la force gravitationnelle des planètes, l’on s’attendrait plutôt à le retrouver dans les couches basses de leurs atmosphères.

Sur Terre, on peut parfois retrouver du baryum en haute altitude, mais en quantité infime. Cela est notamment le cas juste après des feux d’artifice (en particulier ceux qui émettent de la lumière verte). Concernant le baryum détecté sur WASP-76 b et WASP-121 b, les mécanismes naturels lui permettant de se retrouver aussi haut dans l’atmosphère sont encore un mystère.

Les résultats de la nouvelle étude, décrite dans la revue Astronomy & Astrophysics, démontrent à quel point les exoplanètes sont diverses, et les phénomènes se déroulant en leur sein restent encore largement incompris. Quant au fait d’expliquer la présence du baryum sur WASP-76 b et WASP-121 b, les chercheurs sont optimistes, car « étant gazeuses et chaudes, leurs atmosphères sont très étendues et sont donc plus faciles à observer et à étudier que celles de planètes plus petites ou plus froides », estime Olivier Demangeon, co-auteur principal et également chercheur à l’Université de Porto et de Ciências do Espaço.

Source : Astronomy & Astrophysics

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