L'étude de TRAPPIST-1 b dévoile de nouveaux détails sur son atmosphère et son étoile

Par UdeMnouvelles 22 sept. 2023

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En 5 secondes L'étude de l’intrigant système exoplanétaire TRAPPIST-1 a démontré l'interaction complexe entre l'activité de l’étoile de ce système et les caractéristiques des planètes qui le composent.

Cette représentation artistique de l'étoile naine rouge TRAPPIST-1 met en évidence sa nature très active. L'étoile semble avoir de nombreuses taches stellaires (des régions plus froides de sa surface, semblables aux taches solaires) et des éruptions. L'exoplanète TRAPPIST-1 b, la planète la plus proche de l'étoile du système, est visible au premier plan, sans atmosphère apparente. L'exoplanète TRAPPIST-1 g, l'une des planètes de la zone habitable du système, est visible à l'arrière-plan, à droite de l'étoile. Le système TRAPPIST-1 contient sept exoplanètes dont la taille est semblable à celle de la Terre. — Cette représentation artistique de l'étoile naine rouge TRAPPIST-1 met en évidence sa nature très active: l'étoile semble avoir de nombreuses taches stellaires et des éruptions. Visible au premier plan, l'exoplanète TRAPPIST-1 b, la planète la plus proche de l'étoile, est sans atmosphère apparente.
Photo : Benoît Gougeon, Université de Montréal

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Télescope Spatial James-Webb Article 13 / 27

Une équipe d'astronomes dirigée par Olivia Lim, de l'Institut Trottier de recherche sur les exoplanètes (iREx) de l’Université de Montréal, est à l’origine d’une avancée importante dans notre compréhension de l'intrigant système exoplanétaire TRAPPIST-1, découvert en 2016 et suscitant l’espoir de trouver des conditions habitables pour l’humain. Les recherches du groupe ont non seulement permis de mieux comprendre la nature de TRAPPIST-1 b, l'exoplanète qui orbite le plus près de l'étoile du système, mais elles ont également montré l'importance des étoiles parentes dans l'étude des exoplanètes. Les résultats, publiés aujourd'hui dans l’Astrophysical Journal Letters, mettent en lumière l'interaction complexe entre l'activité stellaire et les caractéristiques des exoplanètes.

Olivia Lim, doctorante à l’Institut Trottier de recherche sur les exoplanètes à l’Université de Montréal, a dirigé l'équipe qui a étudié l'exoplanète TRAPPIST-1 b et son étoile en utilisant les toutes premières données spectroscopiques du système TRAPPIST-1 recueillies par le télescope spatial «James-Webb». — Olivia Lim, doctorante à l’Institut Trottier de recherche sur les exoplanètes de l'Université de Montréal
Photo : Amélie Philibert, Université de Montréal

TRAPPIST-1, une étoile beaucoup plus petite et plus froide que le Soleil et située à environ 40 années-lumière de la Terre, attire l'attention des scientifiques et des amateurs d’exploration spatiale depuis la découverte de ses sept exoplanètes de la taille de la Terre en 2016. Ces mondes, tous très rapprochés de leur étoile et dont trois se trouvent dans sa zone habitable, ont alimenté l'espoir de trouver des conditions potentiellement habitables au-delà du système solaire.

L’équipe de recherche a utilisé le puissant télescope spatial James-Webb pour observer l'exoplanète TRAPPIST-1 b. Ces observations ont été faites dans le cadre du plus important programme d'observateurs généraux (GO) dirigé par le Canada au cours de la première année d'exploitation du télescope. Ce programme comprenait également l'observation de trois autres planètes du système, TRAPPIST-1 c, TRAPPIST-1 g et TRAPPIST-1 h. TRAPPIST-1 b a été étudiée lors de deux transits, c’est-à-dire le moment où la planète passe devant son étoile, à l'aide de l'instrument canadien NIRISS à bord de James-Webb.

«Il s'agit des premières observations spectroscopiques d'une planète de TRAPPIST-1 réalisées par le télescope James-Webb et nous les attendions depuis des années!» s'est exclamée Olivia Lim, chercheuse principale du programme GO.

Pour mener à bien cette étude, les astronomes ont utilisé la technique de la spectroscopie de transmission pour obtenir des informations importantes sur les propriétés de ce monde lointain. En analysant la lumière de l'étoile centrale après qu'elle a traversé l'atmosphère de l'exoplanète lors d'un transit, ils peuvent voir l'empreinte unique laissée par les molécules et les atomes présents dans cette atmosphère.

«Il ne s'agit que d'un petit sous-ensemble des nombreuses observations de ce système planétaire unique qui doivent encore être effectuées et analysées, a ajouté René Doyon, chercheur principal de l'instrument NIRISS et coauteur de l'étude. Ces premières observations mettent en évidence la puissance de NIRISS et de James-Webb en général pour sonder les atmosphères minces autour des planètes rocheuses.»

Connaître son étoile, connaître sa planète

La principale conclusion de l'étude est l’incidence significative de l'activité et de la contamination stellaires lorsqu'il s'agit de déterminer la nature d'une exoplanète. La contamination stellaire désigne l'influence des caractéristiques propres à l'étoile, telles que les taches sombres et les plages brillantes (nommées «facules»), sur les mesures de l'atmosphère de l'exoplanète.

L'équipe a trouvé des preuves irréfutables que la contamination stellaire est un facteur incontournable dans l’analyse des spectres de transmission de TRAPPIST-1 b et, sans doute, des autres planètes du système. L'activité de l'étoile centrale peut créer des «signaux fantômes» qui peuvent tromper l'observateur en lui faisant croire qu'il a détecté une molécule particulière dans l'atmosphère de l'exoplanète. Ce résultat souligne l'importance de prendre en compte la contamination stellaire dans la planification des futures observations de tous les systèmes exoplanétaires. Cela est particulièrement vrai pour des systèmes comme TRAPPIST-1, puisque le système s’articule autour d'une étoile naine rouge qui peut être assez active en raison de taches stellaires et d’éruptions fréquentes.

«En plus de la contamination par les taches stellaires et les facules, nous avons observé une éruption stellaire, un évènement imprévisible au cours duquel l'étoile devient plus brillante pendant plusieurs minutes ou plusieurs heures, a expliqué Olivia Lim. Cette éruption a altéré notre mesure de la quantité de lumière bloquée par la planète. De telles signatures de l'activité stellaire sont difficiles à modéliser, mais nous devons en tenir compte pour être sûrs d'interpréter correctement les données.»

Pas d'atmosphère significative sur TRAPPIST-1 b

Sur la base des données d’observation recueillies par le télescope James-Webb, Olivia Lim et son équipe ont exploré une série de modèles atmosphériques pour TRAPPIST-1 b en examinant diverses compositions et divers scénarios possibles. Les astronomes ont constaté que les atmosphères sans nuages et riches en hydrogène étaient exclues, et ce, de façon quasi certaine. Cela signifie qu'il ne semble pas y avoir d'atmosphère claire et étendue autour de TRAPPIST-1 b. Cependant, les données n'ont pas permis d'exclure avec certitude des atmosphères plus fines, telles que celles composées d'eau pure, de dioxyde de carbone ou de méthane, ni une atmosphère semblable à celle de Titan, une lune de Saturne et la seule lune du système solaire à posséder sa propre atmosphère.

Ces résultats correspondent généralement à ceux des observations précédentes de TRAPPIST-1 b (photométriques et non spectroscopiques) effectuées par James-Webb (Greene et coll. et Ih et coll.) à l'aide de l'instrument MIRI. En outre, l'étude a prouvé que l'instrument canadien NIRISS est un outil très performant et sensible, capable de sonder les atmosphères des exoplanètes de la taille de la Terre à des niveaux impressionnants.

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