Résultat scientifique

La spectroscopie des exoplanètes permet de déterminer la composition chimique et la structure thermique de leurs atmosphères. Ce domaine connaît un essor remarquable avec l’arrivée du télescope spatial James Webb (JWST). Mais les observations depuis le sol conservent un atout majeur : grâce à l’interférométrie, il est possible de combiner la lumière de plusieurs télescopes pour obtenir l’équivalent d’un télescope géant capable de détecter et de caractériser des planètes proches de leur étoile et inaccessibles pour le JWST.

Observer depuis le sol : la puissance de l’interférométrie

Parmi ces cibles, Pictoris b se distingue : cette géante gazeuse fait partie d’un système très jeune (180 fois plus jeune que notre Système solaire). Elle orbite à l’intérieur d’un ensemble de ceintures de glace et de poussière, analogues à la ceinture de Kuiper. Étudier cette planète permet de mieux comprendre les conditions de formation et d’évolution dynamique du Système solaire.

Sa proximité avec son étoile (neuf fois la distance Terre-Soleil) rend toutefois sa caractérisation difficile par le JWST. Deux nouvelles études démontrent que l’interférométrie s’affranchit de cette limitation. Elles présentent des spectres de Pictoris b dans l’infrarouge d’une précision inégalée qui mettent en évidence le contenu moléculaire de l’atmosphère de cette exoplanète et mesurent son rapport d’abondance carbone/oxygène. Ce dernier permet de retracer l’historique de formation de cette planète.

Deux instruments du VLT pour sonder l’atmosphère de la planète

Ces travaux reposent sur les instruments de seconde génération GRAVITY et MATISSE, installés au Very Large Telescope (VLT, Chili). Ces deux instruments interférométriques, développés par des consortiums internationaux incluant plusieurs laboratoires du CNRS (voir encadré) ont permis d’atteindre une haute résolution spectrale et une extension à l’infrarouge moyen. Cette approche rend possible une analyse fine de raies et de bandes d’absorption moléculaires ainsi qu’une modélisation détaillée des abondances de molécules atmosphériques et de les comparer à celles prédites par les modèles de formation planétaire.

Des perspectives inédites pour l’étude des exoplanètes

Les résultats confirment que le rapport carbone/oxygène de Pictoris b contraint fortement son scénario de formation parmi différentes hypothèses. 

On peut distinguer l’effondrement gravitationnel où une planète se forme par fragmentation et effondrement de son disque primordial ou bien encore l’accrétion sur noyau planétaire, où une planète se forme en agrégeant des morceaux de roche et de glace de plus en plus gros, puis du gaz issu de son disque primordial.

Ces observations constituent une première démonstration des capacités de MATISSE à observer des exoplanètes. Prochainement, le quatrième catalogue de la mission européenne Gaia attendu fin 2026 devrait révéler un éventail de jeunes exoplanètes géantes qui pourront être caractérisées par interférométrie au VLT.

Situé dans la constellation d’Ophiuchus à 120 parsecs de nous, ce disque offre une coupe naturelle permettant de sonder sa structure interne avec une précision inégalée. Grâce à l’interféromètre Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), l’équipe a cartographié plus d’une dizaine de molécules essentielles à la vie, formées à partir d’hydrogène, de carbone, d’azote et d’oxygène. Ces observations ont permis de mesurer, pour chaque molécule, son altitude exacte au-dessus du plan médian du disque et sa répartition radiale. Les chercheuses et chercheurs ont ainsi pu suivre les conditions de température et de densité du gaz à différentes hauteurs, révélant une organisation verticale jusque-là impossible à observer directement dans les autres disques.

Les résultats dévoilent une architecture complexe. À 100 unités astronomiques de l’étoile centrale (soit 100 fois la distance Terre-Soleil), la plupart des molécules cohabitent dans une même couche gazeuse, à une température d’environ 20 kelvins. Le plan du disque est plus froid (9-10Kelvin) et à cette température, la plupart des molécules plus lourdes que H2 condensent sur les grains en formant des manteaux de glaces. Ces observations permettent de tracer en détail cette zone sur le plan où les molécules ont disparu du gaz (e.g. 12CO, CS, CN …) et où des embryons planétaires peuvent se former.

Autre découverte majeure : les molécules deutérées (formes enrichies en deutérium) comme le DCN et le N₂D⁺ se trouvent  préférentiellement près du plan médian, exactement comme le prédisaient les modèles théoriques.  À l’inverse, certaines molécules ont été détectées bien au-delà du disque de poussières observé avec Alma, probablement parce que les propriétés des poussières changent et laissent mieux pénétrer le rayonnement stellaire.

Ces observations constituent une avancée majeure pour comprendre la composition physico-chimique des futurs systèmes planétaires et affiner les modèles de formation des planètes autour d’étoiles similaires au jeune Soleil.

Parmi les intenses émissions aurorales  présentes sur  les  pôles de  Jupiter,  certaines résultent  de  l’interaction entre  les  lunes  Galiléennes  – Io,  Europe,  Ganymède et  Callisto  – et  l’environnement  de particules  chargées  autour de  Jupiter.  Ces émissions induites  par  les lunes,  observées  à la  fois  dans les  longueurs  d’ondes  ultraviolettes,  visibles,  infrarouges et  radios  et sans  équivalent  sur Terre, sont appelées empreintes aurorales. 

 Grâce au  télescope  spatial  Hubble, les  empreintes  aurorales ultraviolettes  de  trois des  quatre  lunes Galiléennes  –  Io,  Europe et  Ganymède  – ont  été  clairement identifiées  et  étudiées depuis  le  début des  années 2000 .  Depuis Juillet 2016 ,  la  mission  Juno en  orbite  autour de  Jupiter  permet de  poser  un nouveau  diagnostic  sur les  propriétés  de ces  empreintes  aurorales  et les  mécanismes  physiques à  leur  origine grâce  à  des observations  répétées  acquises lors  de  survols rapprochés  des  régions  aurorales de  Jupiter.  Malgré  cela, aucune  détection  claire de  l’empreinte  aurorale  de Callisto,  la  quatrième lune  Galiléenne  la plus  distante  de Jupiter,  n’avait  été rapportée.  Une  telle détection  est  en effet  rendue  complexe par  sa  faible brillance  attendue,  mais aussi  à  cause de  sa  proximité avec  d’autres  émissions aurorales  de  Jupiter, bien  plus  intenses. 

L’empreinte  aurorale ultraviolette  de  Callisto révélée par l’instrument  UVS 
Une  étude récemment  publiée  dans la  revue  Nature  Communications,  menée par  une  équipe de  scientifiques  français (voir encadré),  montre  cependant qu’il  existe  des opportunités  d’identifier  l’empreinte  aurorale ultraviolette  de  la lune  Callisto.  En utilisant  les  observations de  l’instrument  UVS  (UltraViolet Spectrometer)  à  bord de  la  mission spatiale  Juno  de la  NASA,  ils ont  ainsi  montré qu’en  Septembre  2019, les  émissions  aurorales  principales de  Jupiter  ont été  significativement  déplacées de  leur  position habituelle  sur  les pôles  de  Jupiter. Ce décalage  résulte  d’une expansion  globale  de la  magnétosphère  de  Jupiter à  la  suite d’un  changement  des propriétés  du  vent  solaire, ce  flux  permanent de  particules  provenant du  Soleil  se propageant  dans  le milieu  interplanétaire  et interagissant  avec  les objets  du  Système solaire.  En  conséquence, l’empreinte  aurorale  ultraviolette de  Callisto,  habituellement  masquée par  ces  intenses émissions  aurorales,  se révèle.  Pour  la première  fois,  les  empreintes aurorales  des  quatre lunes galiléennes sont observéessimultanément sur le pôle nord de Jupiter. 

 Les mesures  réalisées  par Juno  conjointement  aux observations  ultraviolettes,  notamment celles  d’électrons,  obtenues grâce  à  l’instrument JADE  (Jupiter  Auroral  Distributions Experiment)  auquel  l’IRAP a  contribué,  et d’ondes,  montrent  que les  empreintes  aurorales des  quatre  lunes  Galiléennes  sont générées  par  des mécanismes  physiques  similaires. En  confirmant  l’existence de  l’empreinte  aurorale de  Callisto  avec un  niveau  de détail  sans  précédent, cette  étude  complète ainsi notre compréhension des couplages lunes-planètedans le système de Jupiter.