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Exoplanet Athmosphere New Emission Transmission Spectra Analysis

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Nouvelles méthodes d’analyse des observations de l’atmosphère des exoplanètes

Après une première phase principalement consacrée à la détection des exoplanètes, nous sommes entrés dans une deuxième phase: la caractérisation de l’atmosphère de ces mondes extraterrestres. Nous disposons de télescopes de plus en plus puissants, capables de recueillir des données, mais celles-ci sont difficiles à interpréter.

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La mesure du spectre du rayonnement électromagnétique est connue sous le nom de spectroscopie astronomique. Pouvoir interpréter le spectre est important, car cela permet d’extraire une foule d’informations telles que la présence et l’abondance d’atomes, de molécules, d’ions, de brumes et de nuages, ou encore les structures thermiques verticales. «Ces informations sont essentielles pour tester et améliorer la chimie et la dynamique incorporées dans les modèles atmosphériques appliqués aux mondes extraterrestres», explique Pierre-Olivier Lagage, basé au département d’astrophysique du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) à Saclay, en France. Pierre-Olivier Lagage est le chercheur principal du projet ExoplANETS-A, soutenu par l’UE, qui a permis de parfaire nos connaissances sur l’atmosphère des exoplanètes grâce à l’analyse de données spatiales archivées à l’aide de nouveaux outils. «Le principal défi des observations spectroscopiques de l’atmosphère des exoplanètes en transit réside dans la caractérisation et la suppression du bruit systématique, qui peut être supérieur de plusieurs ordres de grandeur au signal induit par l’atmosphère de l’exoplanète», explique Pierre-Olivier Lagage.

Percer les secrets des planètes lointaines

L’un des chercheurs du projet, Jeroen Bouwman, basé à l’Institut Max Planck d’Astronomie à Heidelberg, en Allemagne, a développé une nouvelle méthode de caractérisation et de suppression du bruit systématique. Selon Pierre-Olivier Lagage: «Dans cette méthode, un modèle du comportement temporel de la systématique de chaque pixel du spectre, basé sur les données, peut être créé en utilisant des pixels de référence à différentes positions dans le spectre. Cela dépend du fait que les causes sous-jacentes de la systématique soient partagées par plusieurs pixels, ce qui a été le cas pour les données du télescope spatial Hubble que nous avons analysées.» Cette méthode a été mise en œuvre dans le code Calibration of trAnsit Spectroscopy using CAusal Data. Jeroen Bouwman a appliqué cette méthode à toutes les données spectroscopiques archivées relatives aux atmosphères d’exoplanètes fournies par le télescope spatial Hubble. «Nous avons procédé à l’analyse d’environ 200 observations spectroscopiques pour aboutir à une caractérisation homogène et fiable de 54 atmosphères d’exoplanètes», précise Pierre-Olivier Lagage. Sous la direction de l’astrophysicien Vincent Minier, basé au CEA, et de David Barrado, professeur au Centre espagnol d’astrobiologie, qui fait partie de l’Institut national de technologie aérospatiale, le site web du projet a été développé pour diffuser les résultats scientifiques et fournir des outils pédagogiques.

Ce que les données peuvent nous apprendre

La modélisation de ces systèmes permettra d’explorer l’ensemble de la zone atmosphérique autour des planètes. Elle révélera les processus chimiques et les modèles de circulation atmosphérique sans équivalent sur la Terre ou sur d’autres planètes du système solaire. Il est toutefois indispensable d’avoir une bonne connaissance de l’étoile hôte pour réussir à modéliser l’atmosphère d’une exoplanète. Le projet a créé à cette fin une base de données cohérente et uniforme des propriétés pertinentes des étoiles hôtes. Celle-ci est basée sur les données recueillies dans les archives de l’Agence spatiale européenne, combinées aux données des missions spatiales internationales et des observatoires au sol. Ces catalogues d’exoplanètes et d’étoiles hôtes sont accompagnés et caractérisés par des modèles afin d’évaluer l’importance des interactions étoile-planète. Jusqu’à présent, la plupart des informations sur le contenu moléculaire d’une atmosphère proviennent d’observations réalisées avec le télescope spatial Hubble, notamment grâce à la caméra à large champ 3. La gamme de longueurs d’onde de la caméra permet de sonder la vapeur d’eau qui a été détectée dans l’atmosphère de plusieurs exoplanètes. «La situation va bientôt radicalement changer lorsque le télescope James Webb sera lancé», explique Pierre-Olivier Lagage. «Celui-ci offrira une large couverture de longueurs d’onde (0,4 à 28 microns) permettant de caractériser les différentes molécules escomptées dans l’atmosphère des exoplanètes telles que l’eau, le dioxyde de carbone et l’ammoniac. Il disposera d’une grande surface de collecte de 25 mètres carrés qui nous permettra de caractériser des exoplanètes jusqu’alors inaccessibles.» Pierre-Olivier Lagage souligne que ces connaissances nouvellement acquises contribueront à terme à la compréhension de notre propre planète. «Le succès du projet ExoplANETS-A est le fruit de la collaboration de plusieurs scientifiques de premier plan qui, ensemble, ont permis d’étudier avec plus de précision la composition de l’atmosphère de ces planètes», explique-t-il. «Si l’on ajoute à cela le lancement du télescope James Webb, nous disposerons d’un formidable ensemble d’outils pour interpréter les nouvelles données passionnantes qui nous parviendront.»

Mots‑clés

ExoplANETS-A, télescope spatial Hubble, télescope James Webb, bruit systématique, atmosphère, planète, observations spectroscopiques

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