« Une récompense pour vingt ans de collaboration »

Le 25 décembre 2021, le télescope spatial James Webb a commencé son voyage dans l’espace et envoie des images – par exemple d’étoiles, de galaxies ou d’exoplanètes – vers la Terre depuis l’été 2022. Les scientifiques du monde entier évaluent les énormes quantités de données collectées par les différents instruments embarqués. Par exemple, MIRI, un instrument destiné au moyen infrarouge, peut être utilisé pour observer les exoplanètes en détail. Dans une interview avec World of Physics, l’un des co-développeurs de MIRI, Manuel Güdel de l’Université de Vienne, explique pourquoi lui et son équipe ont choisi l’exoplanète WASP-107b, à 200 années-lumière, pour leurs mesures et ce que leur analyse a révélé .

Monde de la physique : Où étiez-vous lors du lancement du télescope spatial James Webb il y a deux ans ?

Manuel Güdel : J’aurais effectivement aimé m’envoler pour la Guyane française pour être présent en direct au lancement. J’ai travaillé sur le télescope James Webb pendant vingt ans, cela aurait donc été bien de pouvoir suivre ce lancement sur place. Mais à cause de la pandémie du corona, cela n’a pas fonctionné. De plus, le départ a eu lieu à Noël. C’est pourquoi je l’ai regardé depuis chez moi et bien sûr j’ai croisé les doigts.

Quelle a été votre contribution au télescope James Webb ?

J’ai co-développé l’un des quatre instruments embarqués, MIRI, depuis 2003. Notre groupe a, entre autres, fourni un mécanisme de verrouillage pour le détecteur MIRI. Ceci était très important pendant et après le démarrage, par exemple, afin qu’aucune contamination ne pénètre dans le détecteur. Nous avons également dû développer des câbles spéciaux adaptés aux températures extrêmement basses auxquelles les instruments sont refroidis. Enfin, nous avons testé les différents composants de manière approfondie avec une grande équipe, car avec un télescope spatial, vous ne pouvez pas vous permettre d’erreurs, il doit fonctionner à 100 % – il n’y a pas de possibilité de réparation dans l’espace.

Quel type d’instrument est MIRI ?

MIRI signifie « Instrument infrarouge moyen ». L’appareil n’observe pas l’univers dans le domaine visible de la lumière, mais fonctionne plutôt dans le domaine infrarouge moyen, à des longueurs d’onde comprises entre 5 et 28 micromètres environ. Avec MIRI, un rayonnement thermique peut être observé, même si chaud ne signifie pas nécessairement chaud : le rayonnement infrarouge moyen couvre une large plage, d’environ moins 200 degrés Celsius à plus de 1 000 degrés Celsius. De nombreux objets de l’univers révèlent des informations intéressantes dans ce domaine, par exemple les étoiles, les galaxies, les nébuleuses gazeuses ou encore les atmosphères des exoplanètes.

Ils ont étudié une exoplanète spéciale avec MIRI. Comment est-ce arrivé?

En tant que co-développeur, vous bénéficiez d’un temps d’observation garanti important – contrairement à d’autres scientifiques qui doivent demander de tels temps de mesure. C’est une sorte de récompense pour plus de 20 ans de coopération entre nos instituts. L’une des exoplanètes que notre équipe a choisi d’observer dans ce contexte était WASP-107b. Il s’agit d’une planète gazeuse qui orbite près d’une étoile située à environ 200 années-lumière de la Terre. L’étoile elle-même, WASP-107, est légèrement plus froide et moins massive que notre soleil. Sa planète, WASP-107b, a la taille de Jupiter, mais sa masse n’est qu’environ un dixième de celle de Jupiter. La planète apparaît donc pléthorique : elle possède une fine atmosphère qui s’étend loin dans l’espace. Avec ces planètes volumineuses aux atmosphères très minces, nous avons l’espoir de pouvoir voir au plus profond d’elles.

Comment avez-vous étudié WASP-107b ?

MIRI détecte la partie infrarouge de la lumière que le télescope reçoit de l’étoile et la diffuse dans ses longueurs d’onde individuelles comme un arc-en-ciel. Dans ce soi-disant spectre, nous voyons des zones situées à certaines longueurs d’onde qui sont supprimées par le gaz atmosphérique d’une planète située devant elles. Ce sont des empreintes caractéristiques des molécules que la lumière des étoiles a rencontrées lors de son chemin à travers l’atmosphère de la planète jusqu’au télescope. Une exoplanète peut donc être examinée avec MIRI lorsqu’elle est actuellement en transit, c’est-à-dire lorsque la planète passe devant son étoile. La lumière des étoiles observée traverse alors l’atmosphère de la planète comme à travers un filtre et laisse les traces caractéristiques évoquées plus haut des molécules qu’elle contient dans le spectre détecté. Et ces spectres peuvent à leur tour être interprétés à l’aide de modèles informatiques.

Qu’avez-vous découvert sur WASP-107b en utilisant cette méthode ?

Tout d’abord, nous avons de la vapeur d’eau dans l’atmosphère de la planète, c’est-à-dire H₂Oh, trouvé, ce qui arrive souvent dans l’univers. Ce qui était surprenant, cependant, c’est que nous avons également trouvé de grandes quantités de dioxyde de soufre – SO₂ – découvert. Il s’agit d’un gaz quelque peu odorant que nous connaissons des volcans sur Terre. Mais c’est en réalité plutôt inhabituel sur une si grande planète gazeuse. Parce que là-bas, le soufre est normalement présent dans l’atmosphère sous forme de sulfure d’hydrogène gazeux, c’est-à-dire sous forme de H₂S, en avant. Nous avons conclu que des réactions chimiques devaient avoir lieu sur la planète pour convertir le sulfure d’hydrogène en dioxyde de soufre. Mais cela n’arrive pas par hasard : Le H₂La molécule S doit d’abord être divisée, et cela ne peut être fait qu’en utilisant la lumière ultraviolette provenant de l’étoile et pénétrant dans la haute atmosphère de la planète. Dans le même temps, l’oxygène est séparé de la molécule d’eau, produisant du SO à l’aide de la lumière des étoiles.₂. Nous avons ainsi démontré des réactions photochimiques, c’est-à-dire des réactions déclenchées par la lumière des étoiles, dans l’atmosphère de l’exoplanète et montré comment l’étoile contrôle directement la chimie de l’atmosphère.

Quelle importance cette preuve a-t-elle ?

Nous connaissons bien de telles réactions sur Terre. Ici aussi, des processus photochimiques ont lieu dans la haute atmosphère, comme la formation et la dégradation de l’ozone. Mais nous n’observons la photochimie dans les exoplanètes que depuis que nous avons commencé à utiliser le télescope James Webb. Et cela a des conséquences très importantes sur nos modèles d’atmosphères planétaires et leur chimie. La photochimie influence par exemple la structure thermique de l’atmosphère et sa dynamique. Dans l’exemple spécifique, le sulfure de soufre se produit dans la basse atmosphère, mais la réaction en dioxyde de soufre a lieu dans la haute atmosphère, où la lumière UV peut pénétrer. Cela signifie qu’il doit y avoir une circulation, c’est-à-dire un mélange des couches inférieures et supérieures de l’atmosphère.

Avez-vous fait d’autres découvertes ?

Nous avons également constaté la présence de nuages ​​dans le spectre – non pas des nuages ​​de vapeur d’eau comme sur Terre, mais des nuages ​​de silicate. Ce matériau nous est aussi fondamentalement familier : le sable, par exemple, est constitué de silicates. Mais les grains présents dans les nuages ​​de cette exoplanète sont bien plus petits que le sable tel que nous le connaissons sur Terre. Nous avons calculé que cette poussière de la haute atmosphère peut également pleuvoir. Les grains de poussière tombent, s’évaporent à nouveau dans les couches les plus chaudes de l’atmosphère et remontent sous forme de gaz. Ceci est similaire au cycle de la vapeur d’eau et des nuages ​​sur Terre et fournit ainsi une preuve supplémentaire de la circulation dans l’atmosphère.

Quelles sont les prochaines étapes de vos recherches ?

Grâce au télescope James Webb, nous avons réussi à étudier plus en détail la composition de l’atmosphère d’une planète. Nous espérons maintenant pouvoir déduire comment WASP-107b est né. La présence de soufre dans son atmosphère peut potentiellement fournir des indices sur le processus de croissance. Nous examinerons également d’autres planètes extrasolaires et comparerons systématiquement les différents objets entre eux. Notre équipe cible 14 exoplanètes, mais dans l’ensemble, les astronomes utiliseront le télescope James Webb pour observer plus d’une centaine d’exoplanètes en détail. J’espère que cela fournira de bonnes statistiques qui nous rapprocheront beaucoup plus de la recherche de réponses à la question de l’origine et de l’évolution des exoplanètes.