De belles et mystérieuses exoplanètes : explorons les Jupiters chauds

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Cet article est publié dans le cadre de la Fête de la science (du 5 au 13 octobre 2019 en métropole et du 9 au 17 novembre en outre-mer et à l’international) dont The Conversation France est partenaire. Cette nouvelle édition aura pour thème : « À demain, raconter la science, imaginer l’avenir ». Retrouvez tous les débats et les événements de votre région sur le site Fetedelascience.fr.

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Quand la poésie rejoint l’astrophysique… Partons à la rencontre des Jupiters chauds ! On sait que notre étoile, le Soleil, n’est pas seule à être entourée de planètes. Rien que dans notre galaxie il existerait au moins 100 milliards d’exoplanètes, exo pour signifier qu’elles se trouvent hors de notre système solaire. Jusqu’ici, les astrophysiciens ont surtout détecté de très grosses planètes gazeuses. Les Jupiters chauds. Ainsi dénommés car ce sont des planètes géantes à l’instar de Jupiter, mais très chaudes, jusqu’à 2 000 degrés Celsius, car « rôties » par leur étoile. Elles orbitent si près de leur étoile qu’elles peuvent fêter la nouvelle année tous les 4 jours !

Les Jupiters chauds sont à des distances astronomiques, donc inatteignables : l’observation directe reste le seul moyen de les étudier. Par chance, les Jupiters chauds passent très souvent devant leur étoile et, à chaque éclipse, la lumière de l’étoile est absorbée par l’atmosphère de la planète. L’analyse de ce spectre de lumière, captée par des télescopes terrestres ou spatiaux livre ainsi de nombreuses informations sur la composition et la structure de l’atmosphère. Néanmoins, l’analyse de cette lumière est terriblement complexe : le spectre contient une telle quantité d’information qu’il en est illisible si on n’a pas les bonnes clés pour le décoder.

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Observation d’une exoplanète par un télescope spatial. NASA, Author provided

Dans ma thèse, je cherche à savoir quelles molécules sont présentes dans ces atmosphères chaudes et dans quelles conditions de température, de densité et de pression elles se trouvent. Je voudrais montrer qu’en plus de la vapeur d’eau, du gaz carbonique, du monoxyde de carbone et du méthane déjà détectés il y a aussi d’autres hydrocarbures qui agissent par effet de serre sur la structure thermique de la planète.

Exoplanètes en laboratoire

Cette recherche est un vrai défi car, sous l’effet de la forte température, les molécules de cette atmosphère extraterrestre tournent et vibrent si frénétiquement que cela brouille leur spectre. Mon travail consiste à permettre aux astronomes de décrypter ce signal, pour cela je recrée les conditions des atmosphères des Jupiters chauds en laboratoire. Je chauffe mes gaz jusqu’à 2 000 °C et je mesure leur spectre d’absorption. Heureusement en laboratoire, on a la possibilité de simplifier ces spectres. L’astuce développée à Rennes est de calmer la rotation pour rendre accessible l’information sur la vibration qui n’est pas encore connue à de telles températures.

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Spectre simulé à haute température (en haut) comparé à un spectre où la rotation a été « calmée » par détente (en bas). Auteure, Author provided

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Une fois les gaz chauffés, je les détends au travers d’une mini-tuyère de fusée en graphite, dans un caisson où j’ai fait le vide. Auteure, Author provided

Enregistrer l’ombre des molécules

La tuyère (six mois de travail !) a été développée précisément pour créer un jet hypersonique (15 fois la vitesse du son) dans lequel les molécules se refroidissent brutalement à -260 °C dans un état étrange dit « hors équilibre ». Cet état bizarre, où mes molécules continuent à vibrer mais tournent très peu sur elles-mêmes, est la clé pour décoder le spectre complexe des gaz chauds observés par les télescopes.

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Système expérimental : un faisceau laser infrarouge traverse le jet et y frappe les molécules que je veux étudier, tout comme la lumière de l’étoile traverse l’atmosphère de la planète. Auteure, Author provided

Avec mon système expérimental, j’enregistre en quelque sorte l’ombre des molécules, c’est ce que l’on appelle un spectre d’absorption. Rien à voir avec un fantôme : mon spectre contient une forêt de pics propres à chaque molécule.

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Jet hypersonique et le laser le traversant : la position de chaque pic correspond à un état de mouvement particulier de la molécule qui combine vibration et rotation. La hauteur du pic indique le nombre des molécules dans cet état. Auteure, Author provided

En pratique, il est difficile pour des techniques de spectroscopie courantes de sonder un jet de gaz dont le diamètre n’excède pas une dizaine de millimètres. Le signal d’absorption est trop faible pour être analysé. J’utilise une méthode ultrasensible plus sophistiquée qui consiste à faire parcourir à la lumière de multiples allers-retours à travers le jet de gaz entre deux miroirs de très haute réflectivité. Le chemin parcouru par le faisceau laser à travers le gaz peut atteindre ainsi plusieurs centaines de mètres !

Vers la fin de ma thèse, je transmettrai mes informations sur ces molécules à d’autres scientifiques, chimistes théoriciens et astrophysiciens, qui adapteront leurs formules pour construire sur ordinateur un modèle de spectre pour chaque molécule. Ils joueront avec les paramètres du spectre calculé, par exemple la température, jusqu’à parvenir à faire coïncider les pics de ce spectre avec ceux de l’exoplanète. Nous tiendrons alors la preuve de l’existence de ces molécules dans l’atmosphère de cet astre. Et par là, nous en saurons plus sur les transferts d’énergie étoile-planète-atmosphère, et donc sur le climat de cet astre, plutôt rude, j’imagine !