Webb photographie le super-Jupiter le plus proche, ouvrant une nouvelle fenêtre sur la recherche d’exoplanètes

À l’aide du télescope spatial James Webb (JWST), une équipe d’astronomes dirigée par le MPIA a photographié une nouvelle exoplanète qui orbite autour d’une étoile du système triple voisin Epsilon Indi. La planète est un super-Jupiter froid présentant une température d’environ 0 degré Celsius et une large orbite comparable à celle de Neptune autour du soleil.

Cette mesure n’a été possible que grâce aux capacités d’imagerie sans précédent du JWST dans l’infrarouge thermique. Elle illustre le potentiel de découverte de nombreuses autres planètes similaires à Jupiter en termes de masse, de température et d’orbite. Leur étude améliorera nos connaissances sur la formation et l’évolution des géantes gazeuses dans le temps.

« Nous étions ravis de réaliser que nous avions photographié cette nouvelle planète », a déclaré Elisabeth Matthews, chercheuse à l’Institut Max Planck d’astronomie de Heidelberg, en Allemagne. Elle est l’auteure principale de l’article de recherche sous-jacent publié dans la revue Nature.

« À notre grande surprise, le point lumineux qui est apparu sur nos images MIRI ne correspondait pas à la position que nous attendions pour la planète », souligne Matthews. « Des études antérieures avaient correctement identifié une planète dans ce système, mais avaient sous-estimé la masse et la séparation orbitale de cette géante gazeuse super-Jupiter. » Avec l’aide du JWST, l’équipe a pu rétablir la vérité.

Cette détection est assez inhabituelle à plusieurs égards. Elle montre la première exoplanète imagée par le JWST qui n’avait pas encore été photographiée depuis le sol et qui est beaucoup plus froide que les planètes gazeuses que le JWST a étudiées jusqu’à présent. Une « image » signifie que la planète apparaît comme un point brillant sur les images et représente donc une preuve directe. Les méthodes de transit et de vitesse radiale sont des preuves indirectes, car la planète ne se révèle que par son effet médiatisé.

Les observations du JWST mettent à jour les mesures précédentes

La planète tourne autour de l’élément principal du système d’étoiles triples voisin, Epsilon Indi, ou Eps Ind en abrégé. Les conventions d’étiquetage astronomique attribuent l’étiquette Eps Ind A à cette étoile primaire, une naine rouge un peu plus petite et plus froide que le Soleil. Pour construire le nom de la planète, un « b » est ajouté, ce qui donne la désignation Eps Ind Ab.

Les nouvelles données du JWST sont cohérentes avec l’hypothèse d’un super-Jupiter ayant une masse six fois supérieure à celle de Jupiter dans le système solaire. Eps Ind Ab orbite autour de son étoile hôte sur une orbite elliptique excentrique dont la distance la plus éloignée d’Eps Ind A devrait être comprise entre 20 et 40 unités astronomiques.

Une unité astronomique correspond à la distance moyenne entre la Terre et le Soleil, soit environ 150 millions de kilomètres. Les nouvelles valeurs diffèrent considérablement des études précédentes, c’est pourquoi l’équipe a choisi de qualifier cette planète de « nouvelle ».

Des planètes froides, une science brûlante

Seules quelques planètes géantes gazeuses froides en orbite autour d’étoiles de l’ère solaire sont connues à ce jour, et elles ont toutes été déduites indirectement à partir de mesures de vitesse radiale. En photographiant et en prenant des spectres des planètes, les astronomes peuvent étudier leurs atmosphères et retracer l’évolution des systèmes planétaires par rapport aux modèles informatiques.

L’étude des planètes dans des systèmes planétaires entièrement peuplés permet de clarifier les derniers stades de l’évolution planétaire et d’affiner notre compréhension générale de la formation et de l’évolution des planètes.

Les observations récentes ouvrent la voie à la découverte de nombreuses autres planètes géantes gazeuses froides. Elles permettront aux astronomes d’étudier une nouvelle classe d’exoplanètes et de les comparer aux géantes gazeuses du système solaire.

Comment détecter les planètes à gaz froid

Cependant, ces planètes sont difficiles à trouver à l’aide des méthodes de détection classiques. Les planètes éloignées de leur étoile hôte sont généralement très froides, contrairement aux Jupiters chauds qui gravitent autour de leur étoile à quelques rayons seulement. Il est très peu probable que les orbites larges soient alignées le long de la ligne de visée pour produire un signal de transit. De plus, la mesure de leurs signaux à l’aide de la méthode de la vitesse radiale est difficile lorsque seule une petite partie de l’orbite peut être surveillée.

Des études antérieures ont tenté d’étudier une planète géante en orbite autour d’Eps Ind A à l’aide de mesures de vitesse radiale. Cependant, l’extrapolation d’une petite partie de l’orbite a conduit à des conclusions erronées sur les propriétés de la planète. En effet, Eps Ind Ab a besoin d’environ 200 ans pour faire le tour de son étoile. Des observations sur quelques années ne suffisent pas à déterminer l’orbite avec une grande précision.

L’équipe de Matthews a donc mis au point une approche différente. Ils voulaient prendre une photo de la planète connue en utilisant une méthode communément appelée imagerie directe. Les étoiles hôtes des exoplanètes étant si brillantes, elles éclipsent tout autre objet proche. Les appareils photo classiques seraient submergés par la lumière aveuglante des étoiles.

C’est pour cette raison que l’équipe a utilisé la caméra MIRI (Mid-Infrared Instrument) du JWST équipée d’un coronographe. Ce masque bloquant la lumière recouvre l’étoile comme une éclipse artificielle. Un autre avantage est la proximité d’Eps Ind avec la Terre, qui n’est que de 12 années-lumière. Plus la distance à l’étoile est faible, plus la séparation entre deux objets apparaît grande sur une image, ce qui offre une meilleure chance d’atténuer l’interférence de l’étoile hôte. MIRI était le choix parfait car il observe dans l’infrarouge thermique ou moyen, où les objets froids brillent intensément.

Que savons-nous de l’Eps Ind Ab ?

« Nous avons découvert un signal dans nos données qui ne correspondait pas à l’exoplanète attendue », explique Matthews. Le point lumineux sur l’image n’était pas à l’endroit prévu. « Mais la planète semblait toujours être une planète géante », ajoute Matthews. Cependant, avant de pouvoir faire une telle évaluation, les astronomes ont dû exclure que le signal provienne d’une source d’arrière-plan sans rapport avec Eps Ind A.

« Il est toujours difficile d’en être certain, mais d’après les données, il semblait assez peu probable que le signal provienne d’une source de fond extragalactique », explique Leindert Boogaard, un autre scientifique du MPIA et co-auteur de l’article de recherche.

En effet, en parcourant les bases de données astronomiques à la recherche d’autres observations d’Eps Ind, l’équipe est tombée sur des données d’imagerie de 2019 obtenues avec la caméra infrarouge VISIR attachée au Very Large Telescope (VLT) de l’Observatoire européen austral (ESO). Après avoir réanalysé les images, l’équipe a trouvé un objet faible précisément à l’endroit où il devrait se trouver si la source imagée avec le JWST appartenait à l’étoile Eps Ind A.

Les scientifiques ont également tenté de comprendre l’atmosphère de l’exoplanète en se basant sur les images disponibles de la planète en trois couleurs : deux du JWST/MIRI et une du VLT/VISIR. Eps Ind Ab est plus faible que prévu aux courtes longueurs d’onde. Cela pourrait indiquer des quantités substantielles d’éléments lourds, en particulier du carbone, qui construit des molécules telles que le méthane, le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone, que l’on trouve couramment dans les planètes géantes gazeuses. Cela pourrait également indiquer que la planète a une atmosphère nuageuse. Cependant, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour parvenir à une conclusion définitive.

Projets et perspectives

Ces travaux ne constituent qu’une première étape vers la caractérisation de l’Eps Ind Ab. « Notre prochain objectif est d’obtenir des spectres qui nous fournissent une empreinte détaillée de la climatologie et de la composition chimique de la planète », explique Thomas Henning, directeur émérite du MPIA, co-PI de l’instrument MIRI et co-auteur de l’article sous-jacent.

« À long terme, nous espérons également pouvoir observer d’autres systèmes planétaires proches pour traquer les géantes gazeuses froides qui auraient échappé à la détection », explique Matthews. « Une telle étude servirait de base à une meilleure compréhension de la formation et de l’évolution des planètes gazeuses. »