James-Webb détecte pour la première fois directement du CO2 sur des planètes hors du Système solaire

Le télescope spatial James-Webb (JWST) a franchi une nouvelle étape dans l’exploration des exoplanètes en détectant pour la première fois du dioxyde de carbone sur des planètes situées en dehors de notre Système solaire. Ces planètes, appartenant au système HR 8799, sont des géantes gazeuses jeunes et massives. La présence de dioxyde de carbone dans leur atmosphère n’est évidemment pas attribuable à une activité biologique comme sur Terre, mais elle vient renforcer les modèles théoriques de formation planétaire.

Deux théories en concurrence sur la formation des planètes géantes

HR 8799 est un système étudié de près par les astronomes en raison de sa similarité avec les premiers stades de développement de notre propre Système solaire. La détection de dioxyde de carbone dans son atmosphère permet de mieux comprendre la manière dont les planètes géantes se forment et évoluent.

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Les scientifiques considèrent deux modèles principaux pour expliquer la formation des planètes géantes. Le premier, appelé formation ascendante, suppose que ces planètes se développent en accumulant progressivement des noyaux solides qui finissent par capturer de grandes quantités de gaz, notamment de l’hydrogène et de l’hélium. Ce modèle est celui que l’on pense être à l’origine de Jupiter et Saturne dans notre propre système.

Le second modèle, dit de formation descendante, postule que les planètes naissent directement d’un effondrement gravitationnel du disque protoplanétaire environnant, entraînant la formation quasi instantanée d’une planète gazeuse massive, dont la composition serait très proche de celle de son étoile hôte. L’étude du système HR 8799, qui est âgé d’environ 30 millions d’années et situé à seulement 130 années-lumière de la Terre, permet aux astronomes de tester ces hypothèses dans un cadre concret. Sa proximité et la jeunesse de ses planètes en font un laboratoire naturel idéal pour mieux comprendre les processus de formation planétaire.

Une observation rendue possible par la puissance du JWST

Les planètes du système HR 8799 sont encore extrêmement chaudes en raison de leur formation récente. Cette chaleur résiduelle leur permet d’émettre suffisamment de rayonnement infrarouge pour être détectées directement par le JWST, ce qui est une prouesse rare. Habituellement, les exoplanètes sont trop proches de leur étoile et trop peu lumineuses pour être observées de cette manière.

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Grâce à sa technologie avancée, le JWST ne se contente pas de voir ces planètes, il peut également analyser la composition chimique de leurs atmosphères en détectant la signature spectrale de différents éléments et composés. Ainsi, l’équipe dirigée par William Balmer, doctorant à l’université Johns-Hopkins, a pu confirmer la présence de dioxyde de carbone dans l’atmosphère des quatre planètes du système HR 8799. Ces résultats, publiés dans The Astronomical Journal, suggèrent une formation par accrétion du noyau, renforçant l’idée que ce modèle pourrait être universel pour les planètes géantes.

L’équipe de recherche a également étudié un autre système, celui de 51 Eridani, qui est encore plus jeune et plus proche que HR 8799. Cependant, les observations y ont été moins concluantes, bien qu’elles aient confirmé que la planète 51 Eridani b possède une orbite très excentrique.

Des indices supplémentaires sur la formation des exoplanètes

Outre le dioxyde de carbone, le JWST a détecté d’autres gaz dans les atmosphères des planètes de HR 8799, notamment du monoxyde de carbone et du méthane. La variation des proportions de ces gaz d’une planète à l’autre suggère des différences dans leurs mécanismes de formation et d’évolution. 

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Le Dr Laurent Pueyo, du Space Telescope Science Institute, co-directeur de l’étude, souligne que cette détection directe du dioxyde de carbone est une avancée majeure. « Nous avons d’autres indices montrant que ces planètes se sont formées via l’accrétion du noyau. Il reste maintenant à comprendre dans quelle mesure ce processus est répandu parmi les exoplanètes que nous pouvons observer directement. »

Bien que les planètes étudiées ne puissent pas abriter la vie en raison de leur nature gazeuse et de leurs conditions extrêmes, ces découvertes ont des implications plus larges pour la compréhension de l’habitabilité des systèmes stellaires. En effet, la présence de géantes gazeuses influence fortement la dynamique d’un système planétaire. Selon William Balmer, ces planètes massives peuvent agir comme des « quilles de bowling », perturbant ou protégeant les planètes rocheuses potentielles en modifiant leur orbite.

Cette étude montre également que le JWST est capable d’identifier la présence de gaz dans l’atmosphère de planètes même très proches de leur étoile. Par exemple, il a réussi à observer le dioxyde de carbone sur HR 8799e, la plus interne des quatre planètes du système, malgré l’intense éclat de son étoile. Par ailleurs, James-Webb observe de mystérieuses structures au-dessus de la Grande Tache rouge de Jupiter.

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