Du fer et du titane trouvés sur « Ultrahot Jupiter », une première exoplanète
Pour la première fois, des astronomes ont trouvé du fer et du titane dans l’atmosphère d’une planète en dehors du système solaire. L’exoplanète, nommée KELT-9b, est le monde extraterrestre le plus chaud jamais découvert. La planète est si brûlante qu’elle est encore plus chaude que la plupart des étoiles. 
Cette exoplanète étouffante, située à environ 620 années-lumière de la Terre dans la constellation du Cygne, est ce que les astronomes appellent un « Jupiter ultra-chaud ». KELT-9b est un monde gazeux géant comme Jupiter, la plus grande planète de notre système solaire. Mais il est bien plus gros – il a trois fois la masse et deux fois le diamètre de Jupiter – et il orbite extrêmement près de son étoile mère chaude, KELT-9. 
« Ultrahot Jupiter » est un terme non officiel pour une exoplanète chaude de Jupiter avec des températures dépassant 3 100 degrés Fahrenheit (1 700 degrés Celsius). Ils « sont si chauds qu’ils ressemblent à des étoiles même s’ils sont des planètes », a déclaré à Space.com Kevin Heng, astrophysicien de l’Université de Berne en Suisse qui a participé à l’étude. KELT-9b peut atteindre des températures allant jusqu’à 7 800 degrés F (4 300 degrés C). 
Cette chaleur record a permis aux astronomes de détecter du fer et du titane dans l’atmosphère de KELT-9b. Alors que les chercheurs soupçonnent depuis longtemps que ces éléments sont présents sur certaines exoplanètes – le fer est l’un des éléments les plus abondants de l’univers – il est difficile de les détecter dans des environnements plus froids car les atomes sont pour la plupart « piégés dans d’autres molécules », a déclaré Heng. Cependant, KELT-9b est si chaud que les nuages ne se condensent pas dans son atmosphère, permettant à des atomes individuels de fer et d’autres métaux de voler en solo.
Scandium and yttrium: Researchers of #unibern & @unige_en detected traces of rare-Earth #metals in the #atmosphere of an #exoplanet. Place of finding: The „hot #Jupiter“ planet KELT-9b. #BernimAll https://t.co/Xmke9lW9fh pic.twitter.com/Q7w7vjbD9o
— Universität Bern (@unibern) May 9, 2019
Le titane a déjà été repéré dans l’atmosphère d’une exoplanète, mais pas sous sa forme atomique. En septembre 2017, des astronomes utilisant le télescope spatial Hubble ont annoncé avoir trouvé du dioxyde de titane (molécules composées d’un atome de titane et de deux atomes d’oxygène) dans l’atmosphère d’une exoplanète nommée Kepler-13A.
Les astronomes peuvent détecter différents éléments en regardant le spectre de la lumière provenant d’un objet dans l’espace. Parce que l’exoplanète n’émet pas sa propre lumière, Heng et son équipe de chercheurs ont examiné les données du télescope recueillies lors d’un transit solaire, lorsque l’exoplanète est passée directement devant son étoile vue de la Terre.
En utilisant les données vieilles d’un an du télescope national Galileo à La Palma, en Espagne, les chercheurs ont commencé à rechercher des métaux dans le spectre de la lumière qui traversait l’atmosphère de KELT-9b pendant un transit de 4 heures. Ces données ont été recueillies à l’aide d’un spectrographe appelé HARPS, le High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher.
L’équipe de Heng a demandé l’aide de Simon Grimm, astrophysicien à l’Université de Berne « qui est (entre autres) un expert dans le calcul des opacités des atomes et des molécules », a écrit Heng dans le billet de blog. « Ces opacités ne sont pas triviales à calculer, car il faut évaluer les forces et les formes de millions à des milliards de raies spectrales. »
Des études antérieures portant sur l’hydrogène dans l’atmosphère de KELT-9b ont pu voir une forte raie d’absorption d’hydrogène dans le spectre sans effectuer une analyse de corrélation croisée plus compliquée comme Heng et son équipe ont dû le faire pour trouver du fer et du titane. Les astronomes qui ont collecté des données pour rechercher de l’hydrogène « manquaient de motivation théorique pour mener une recherche sérieuse de métaux tels que le fer », a écrit Heng.
Une autre étude, publiée le 2 juillet dans la revue Nature Astronomy, a montré que l’hydrogène « s’échappe » de l’atmosphère de KELT-9b et est aspiré par l’étoile mère de la planète. « Il est possible que des éléments de métaux lourds s’échappent également parce que la fuite spectaculaire d’hydrogène peut » entraîner « des éléments lourds très haut [dans] l’atmosphère », a déclaré Fei Yan, astronome à l’Institut Max Planck d’astronomie et auteur principal de l’étude, a déclaré à Space.com dans un e-mail. Alors que le fer et le titane dans l’atmosphère de KELT-9b étaient une énorme découverte, Heng a déclaré à Space.com que « la technique elle-même est vraiment excitante » également. « C’est la même technique que nous utiliserons pour détecter les signatures de la biologie, ou biosignatures « , a déclaré Heng. « Sur Terre, nous pensons que c’est de l’oxygène et quelques autres molécules obscures, mais nous ne savons pas ce que sont les biosignatures en général. Si vous saviez ce qu’elles étaient… vous pourriez utiliser exactement la même technique pour détecter ces molécules dans des planètes plus froides et plus petites. »
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Pour la première fois, des chercheurs des universités de Berne et de Genève ont prouvé la présence de fer et de titane dans l’atmosphère d’une exoplanète. L’existence de ces éléments sous forme gazeuse a été théoriquement prédite par une équipe dirigée par l’astronome bernois Kevin Heng et vient d’être confirmée par des astronomes basés à Genève.
Les planètes d’autres systèmes solaires, appelées exoplanètes, peuvent tourner très étroitement autour de leur étoile. Si cette étoile est beaucoup plus chaude que notre soleil, un phénomène unique se produit : l’exoplanète elle-même devient aussi chaude qu’une étoile. Parce que ces géantes gazeuses sont physiquement similaires à Jupiter, elles sont également appelées « Jupiters chauds » ou « Jupiters ultra-chauds ». KELT-9 est une étoile située à 650 années-lumière de la Terre dans la constellation du Cygne. Avec une température de plus de 10 000 °C, il fait presque deux fois plus chaud que le soleil. KELT-9 est en orbite autour d’une énorme planète gazeuse, le « Jupiter ultra-chaud » KELT-9b, qui est 30 fois plus proche de son étoile centrale que la Terre ne l’est du Soleil. En raison de cette proximité, l’exoplanète orbite autour de son étoile en 36 heures et elle est chauffée à une température de plus de 4 000 °C. Ainsi, bien que la planète KELT-9b ne soit pas aussi chaude que le soleil, elle est plus chaude que de nombreuses autres étoiles.
Ce à quoi pourrait ressembler l’atmosphère d’un tel « Jupiter chaud » et comment il se développait dans de telles conditions était auparavant inconnu. Maintenant, une équipe sous la direction de l’Université de Genève qui a fusionné avec des scientifiques de l’Université de Berne a prouvé l’existence d’atomes de fer et de titane dans l’atmosphère du « Jupiter ultra-chaud » KELT-9b, grâce à une simulation du groupe de chercheurs bernois. La découverte a été publiée.
Simulation de l’équipe bernoise le déclencheur
Des chercheurs de l’Université de Berne faisant partie du Pôle de recherche national PlanetS ont récemment mené une étude afin de simuler l’atmosphère de l’exoplanète KELT-9b. Les résultats sont publiés dans l’Astrophysical Journal. « Les résultats de ces simulations ont montré que la plupart des molécules présentes dans l’atmosphère de KELT-9b devaient être sous forme d’atomes », explique le co-auteur de l’étude Kevin Heng, directeur et professeur au Center for Space and Habitabilty (CSH) à l’Université de Berne et membre de PlanetS. « Avec les températures extrêmement élevées sur KELT-9b, des collisions se produisent entre les particules qui brisent les composés entre les molécules et ionisent même partiellement les atomes qui se forment ici », poursuit l’auteur principal Daniel Kitzmann du CSH. Les simulations de l’équipe bernoise ont également prédit qu’il devrait être possible d’observer du fer atomique gazeux dans l’atmosphère de la planète KELT-9b à l’aide de télescopes.
La lumière révèle les composants chimiques de l’atmosphère
Des chercheurs de PlanetS à l’Université de Genève ont observé la planète KELT-9b lors d’un transit devant son étoile centrale, KELT-9. Une infime fraction de la lumière de l’étoile KELT-9 est filtrée à travers l’atmosphère de la planète KELT-9b lors de ce transit. Si cette lumière filtrée est maintenant analysée, des conclusions peuvent en être tirées sur la composition chimique de l’atmosphère de la planète KELT-9b. Ceci est possible grâce à un spectrographe qui divise la lumière blanche en ses composants, le soi-disant spectre. Pour leurs observations, les chercheurs genevois ont utilisé le spectrographe HARPS Nord de La Palma, qui avait été construit à Genève.
Comme prédit par l’équipe de Heng, les atomes de fer, s’ils sont présents dans l’atmosphère de KELT-9b, laissent derrière eux une « empreinte digitale » bien reconnaissable dans le spectre. Les chercheurs genevois de PlanetS ont découvert un signal fort qui correspond à celui de la vapeur de fer. « Avec les prédictions théoriques de l’équipe de Heng, nous n’avions qu’à suivre une sorte de carte au trésor », explique Jens Hoeijmakers, chercheur aux universités de Berne et de Genève et auteur principal de l’étude dans Nature. « Lorsque nous nous sommes occupés plus intensément des données, nous en avons trouvé encore plus », ajoute-t-il. En plus des atomes, les chercheurs ont également prouvé l’existence de fer et de titane sous forme ionisée dans l’atmosphère de KELT-9b.
Auparavant, on supposait que de nombreuses exoplanètes qui se trouvaient dans un environnement similaire à KELT-9b étaient complètement vaporisées. « KELT-9b est probablement assez massif pour résister à l’évaporation totale », déclare Hoeijmakers. Les observations confirment que les températures élevées sur la planète KELT-9b divisent la plupart des molécules en leurs atomes, c’est-à-dire y compris les molécules contenant du fer ou du titane. Dans le cas des exoplanètes plus froides, des atomes de fer ou de titane dans des oxydes gazeux ou sous forme condensée sous forme de particules de poussière sont suspectés là où ils sont difficilement détectables.
Les chercheurs conviennent que la planète KELT-9b est un laboratoire unique pour analyser comment les atmosphères des planètes peuvent se développer sous un rayonnement stellaire intensif. Kevin Heng déclare : « Pour moi, les deux études sont un brillant résultat du réseau PlanetS, qui favorise une collaboration étroite entre des théoriciens comme nous et des astronomes de l’Université de Genève. »
https://www.space.com/41501-iron-and-titanium-exoplanet-atmosphere-discovery.html