Des équipes de recherche scientifique américaines et européennes ont utilisé le télescope spatial James Webb (JWST) pour découvrir des différences significatives dans les propriétés atmosphériques du « côté lever du soleil » et du « côté coucher du soleil » d'une exoplanète ultra-chaude semblable à Jupiter, WASP-121 b. C'est l'une des preuves les plus claires à ce jour, indiquant que l'environnement dans la zone frontière jour-nuit de la planète (région de la ligne terminale) changera radicalement à différentes longitudes. Les résultats pertinents ont été dirigés par l'Institut Max Planck d'astronomie (MPIA) à Heidelberg, en Allemagne, et publiés dans la revue Nature Astronomy.

L'équipe de recherche, dirigée par Cyril Gapp, doctorant au MPIA, a mené une analyse détaillée de la structure de température et de la composition chimique de l'atmosphère de WASP-121 b à l'aide des spectres infrarouges acquis par JWST pendant le transit de la planète. Lorsqu'une planète passe devant son étoile mère devant notre champ de vision, une partie de la lumière de l'étoile traverse l'atmosphère de la planète et atteint ensuite le télescope. Les changements d'absorption à différentes longueurs d'onde dans le spectre enregistrent des informations sur la composition du gaz et la température dans l'atmosphère. L'équipe a découvert qu'il existe une nette asymétrie dans l'absorption de la lumière infrarouge par l'atmosphère de la planète au début et à la fin du transit. Ce déséquilibre met en évidence l’énorme différence des conditions atmosphériques de part et d’autre des lignes de terminaison « matin » et « soir » de la planète.

L'analyse des données montre que le côté coucher de soleil de la planète (terminateur du soir) absorbe beaucoup plus de lumière stellaire que le côté lever du soleil, ce qui est tout à fait cohérent avec la configuration des vents à grande échelle, à haute altitude et à grande vitesse, prédite par la théorie. Les modèles existants pensent que sur de telles planètes géantes gazeuses très chaudes, le côté chaud du jour transporte la chaleur vers le côté nocturne plus froid, et le système de vent dominant se dirige vers l'est à mesure que la planète tourne, réchauffant ainsi plus intensément l'atmosphère du côté du soir. L'augmentation des températures provoque l'expansion de l'atmosphère dans cette région, ce qui rend le « rayon planétaire » optiquement équivalent légèrement plus grand et absorbe donc davantage de rayonnement de l'étoile mère.

Les observations avec le spectromètre proche infrarouge JWST (NIRSpec) montrent également que le signal d'absorption du monoxyde de carbone (CO) augmente au cours de la seconde moitié du transit, tandis que la luminosité globale du système diminue légèrement. Les chercheurs ont noté que cette amélioration du signal de CO reflète principalement des changements structurels de température plutôt qu’une augmentation de l’abondance du monoxyde de carbone en soi. En revanche, les molécules d'eau (H₂O) montrent de réels signes de déclin : les températures augmentent suffisamment pour briser les molécules d'eau dans la haute atmosphère, les divisant en atomes ou groupes plus légers, ce qui prouve une fois de plus que les vents forts réchauffent la ligne d'arrivée du soir.

WASP-121 b est une planète « Jupiter chaude » extrême. Son orbite et sa rotation ont été verrouillées par les forces de marée, et sa période de rotation et sa période de révolution sont synchronisées, toutes deux d'environ 30 heures. Par conséquent, le même côté fait toujours face à l’étoile mère, formant deux hémisphères de jour perpétuel et de nuit perpétuelle. Des études antérieures ont montré que la température moyenne du côté jour de la planète est d'environ 2 770 Kelvin et celle du côté nuit d'environ 1 000 Kelvin. Lorsqu'elle est convertie en degrés Celsius, la température du côté jour est proche de 2 500 degrés Celsius, tandis que celle du côté nuit est d'environ 725 degrés Celsius. Pendant le transit, comme la planète est très proche de l'étoile, seulement environ 1,9 diamètre stellaire, la planète elle-même tournera d'environ 30 degrés entre l'entrée et la sortie du disque de l'étoile, ce qui permet au télescope de « balayer » les régions atmosphériques à différentes longitudes en un seul transit.

En termes de géométrie d'observation, la première moitié du transit voit principalement le côté nuit et une partie du côté jour « arc du matin » proche du côté matin, tandis que la seconde moitié du transit se tourne vers le côté nuit et « l'arc crépusculaire » du côté soir. Les astronomes utilisent des spectromètres pour diviser la lumière qu'ils reçoivent en différentes longueurs d'onde. Tout comme un prisme divise la lumière blanche en un arc-en-ciel, différents gaz laissent des signatures d'absorption dans des bandes de longueurs d'onde spécifiques, révélant la composition chimique de l'atmosphère. La clé de cette étude est que l’équipe n’a pas simplement fait la moyenne de l’ensemble des données de transit comme dans la pratique traditionnelle, mais a permis au signal spectral de changer au fil du temps, puis a restauré les différences atmosphériques avec la longitude grâce à une analyse statistique.

Cyril Gapp et ses collègues ont souligné que sur WASP-121 b, la planète tourne d'environ 30 degrés pendant le transit complet, ce qui est suffisant pour distinguer clairement les deux lignes terminales de « ligne du matin » et de « ligne crépusculaire » dans les données. Lorsqu'ils ont projeté les signaux spectraux résolus dans le temps dans la dimension de longitude, ils ont constaté que le modèle qui introduisait l'asymétrie de longitude était nettement meilleur que le modèle traditionnel qui faisait la moyenne sur l'ensemble du transit. Les résultats statistiques soutiennent fortement la conclusion selon laquelle « l'atmosphère des deux côtés du matin et du soir est effectivement différente ».

Pour tester si la différence de température était suffisante pour expliquer l'asymétrie observée, l'équipe a utilisé un modèle de circulation générale tridimensionnel pour simuler les processus de transport de chaleur dans la haute atmosphère de la géante gazeuse. Les modèles reproduisent la signature d'absorption asymétrique induite par le gradient de température dans les tendances générales, mais l'intensité du signal simulé reste inférieure aux observations réelles, suggérant l'existence possible de mécanismes de refroidissement supplémentaires du côté matinal de la planète. Une explication possible proposée par les chercheurs est celle des « nuages ​​​​minéraux » : des études antérieures pensaient qu'il pourrait y avoir des nuages ​​composés de minéraux tels que des silicates sur WASP-121 b. Ce ne sont pas des nuages ​​de gouttelettes d’eau, mais des nuages ​​de particules minérales formés à haute température.

De tels nuages ​​​​minéraux bloquent le rayonnement infrarouge des couches plus profondes et plus chaudes de l’atmosphère, donnant à la haute atmosphère une apparence plus froide qu’elle ne l’est réellement. Cependant, sous l’influence de vents rapides, de fortes différences de température et d’un fort rayonnement continu, les processus de formation, de condensation, d’évaporation et de transport des particules nuageuses sont extrêmement complexes. Actuellement, la plupart des modèles numériques atmosphériques ne peuvent pas intégrer pleinement ces détails microphysiques. Dans cette étude, les chercheurs ont modifié le modèle et ajouté de manière simplifiée l’effet de protection des nuages ​​contre le rayonnement infrarouge. L'accord entre les résultats de simulation et les observations JWST a été considérablement amélioré. Cependant, ils ont également souligné que des modèles plus avancés et davantage d’observations sont encore nécessaires pour confirmer définitivement l’existence de nuages ​​​​minéraux sur WASP-121 b.

Ce travail révèle non seulement des différences de longitude dans l'atmosphère de WASP-121 b, mais démontre également une nouvelle façon d'explorer la structure des atmosphères extrêmes des exoplanètes. À mesure que les modèles de circulation atmosphérique et de transfert radiatif seront encore améliorés, les chercheurs devraient utiliser la même technologie de « transit rotatif » pour dessiner des profils atmosphériques méridionaux similaires sur des planètes géantes gazeuses plus chaudes. L'équipe de recherche a sélectionné un groupe de planètes cibles adaptées à des observations similaires en termes de plage de température, de rotation et de période de révolution. À l’avenir, grâce à une comparaison systématique, on devrait déterminer s’il existe une tendance commune dans la direction de la longitude de ces planètes extrêmes et comment différentes conditions physiques façonnent leurs environnements atmosphériques.

Selon l'article, les données d'observation JWST utilisées dans cette étude proviennent de plusieurs projets, dont le projet d'observation régulier GO #1729 (« Courbe de phase NIRSpec de la planète ultra-chaude WASP-121b »), dirigé par Thomas Evans-Soma, et le projet d'observation réservé GTO #1201 (« Enquête NIRISS sur la diversité atmosphérique des exoplanètes en transit »), dirigé par David Lafrenière. L'instrument NIRSpec a été commandé par l'Agence spatiale européenne (ESA) pour être développé par l'industrie européenne. Airbus Defence and Space, basé à Ottobrunn, en Allemagne, est le maître d'œuvre. MPIA a participé au développement de composants clés tels que des roues à filtres et des roues à grilles. Le détecteur et le système de réseau de micro-ouvertures ont été fournis par le Goddard Space Flight Center de la NASA.

Le télescope spatial James Webb est actuellement l’une des installations d’observation astronomique spatiale les plus importantes au monde. Il est exploité conjointement par la National Space Administration (NASA), l'Agence spatiale européenne (ESA) et l'Agence spatiale canadienne (ASC). Il est dédié à l’exploration scientifique de pointe dans de nombreux domaines, de l’atmosphère des exoplanètes aux premières galaxies de l’univers. Capturer ces différences subtiles sur la « ligne de démarcation entre le jour et la nuit » de mondes extrêmes comme WASP-121 b aide les scientifiques à élargir leur compréhension du climat planétaire et de la dynamique atmosphérique, et fournit également de nouveaux outils pour trouver et évaluer les conditions environnementales de mondes plus lointains dans le futur.