Un disque cyan dans un ciel pourpre : coucher de soleil sur Osiris

- communiqué de presse

Jeudi, 9 octobre 2008

Une équipe INSU-CNRS de l'Institut d'astrophysique de Paris (CNRS, Université Pierre et Marie Curie) a obtenu le premier spectre optique complet d'une exoplanète, HD209458b. Réalisé à partir des données du télescope spatial Hubble (NASA-ESA), il couvre tout le domaine optique de l'ultraviolet jusqu'à l'infrarouge. En analysant la lumière de l'étoile vue à travers l'atmosphère de sa planète, les astronomes ont ainsi pu déterminer la structure de cette atmosphère. Ils ont noté la présence d'hydrogène et de sodium et éventuellement des oxydes de vanadium et de titane. Le sodium se répartit en plusieurs couches comme les nuages sur Terre, tout étant plus abondant à basse qu'à haute altitude. Par diffusion, le ciel est pourpre et l'étoile au coucher par absorption est cyan. Ces résultats seront prochainement publiés dans Astrophysical Journal(1).

Imaginons un voyage dans une montgolfière flottant dans l'atmosphère de cette exoplanète. En partant du côté jour de la planète et en voyageant vers le côté nuit, on voit un « coucher d'étoile » analogue au coucher de soleil, quand l'étoile disparaît sous l'horizon. Toutefois la planète est gazeuse sans horizon solide, l'étoile ne disparaît donc que progressivement vers un « sous-sol » lumineux.
Haut dans le ciel, la lumière de l'étoile n'est pas affectée par l'absorption atmosphérique. Par conséquent, près du zénith, l'étoile apparaît blanche, comme le Soleil vu de la Terre. Le ciel est pourpre à cause de la diffusion du bleu par les molécules d'hydrogène, et la diffusion du jaune et de l'orangé par le sodium.
Quand l'étoile s'approche de l'horizon, le bleu et le jaune-orangé sont absorbés par l'atmosphère. Parmi les couleurs de l'arc-en-ciel, seules restent les couleurs intermédiaires ; l'étoile prend une couleur cyan. Lorsque l'étoile est encore plus basse sous l'horizon, l'absorption par l'atmosphère devient encore plus importante, seul le vert subsiste ; l'étoile devient vert sombre avant de disparaître totalement. Notons qu'à cause de la très courte distance entre l'étoile et la planète, l'étoile vue de la planète apparaît 20 fois plus grande que le Soleil vu de la Terre.

L'exoplanète HD209458b est une planète géante gazeuse, environ deux fois moins massive que Jupiter. Elle tourne en 3,5 jours autour de son étoile, semblable au Soleil, a une distance de 6,7 millions de kilomètres(2) de l'astre qui l'illumine. Cette exoplanète est très étudiée par les astronomes : c'est la première pour laquelle on a découvert que, vue de la Terre, elle passait devant son étoile à chaque orbite. Cette géante gazeuse étant très proche de son étoile, elle subit une évaporation et il a été proposé de la surnommer « Osiris ».

Pour produire le spectre optique complet, les astronomes ont utilisé les observations d'archive du télescope spatial Hubble. L'ensemble des observations couvre plusieurs passages de la planète devant son étoile. Lors de chacune de ces mini-éclipses, une partie de la lumière de l'étoile est transmise à travers l'atmosphère planétaire. Cette situation est similaire à notre coucher de soleil dont la lumière rouge révèle la présence de l'atmosphère de la Terre. Pour HD209458b, les observations de Hubble ont non seulement révélé la présence de plusieurs couches de sodium, mais aussi la diffusion de la lumière par la molécule d'hydrogène, et des absorbants qui pourraient être de l'oxyde de vanadium et de l'oxyde de titane.

Il apparaît que le sodium est moins abondant à haute altitude. Cette disparition d'une partie du sodium est due à son onisation par les radiations intenses de l'étoile toute proche, ou à sa condensation dans des molécules. C'est la première fois que des variations de composition sont détectées dans une exoplanète. Ces différentes couches atmosphériques ressemblent aux couches nuageuses de l'atmosphère de la Terre où la vapeur d'eau se condense dans les nuages.

Coucher de soleil sur Osiris. © IAP. L'analyse conduite par David Sing, jeune chercheur à l'Institut d'astrophysique de Paris, a permis d'obtenir un profil détaillé de la température et de la pression en fonction de l'altitude. En particulier, l'observation de la diffusion Rayleigh, le phénomène responsable de la couleur bleue du ciel sur Terre, permet de mesurer la température. On montre ainsi qu'à basse altitude la température doit être au dessus de 1 700°C. A plus haute altitude, la température semble décroître jusqu'à moins de 500°C, permettant ainsi la condensation du sodium. Plus haut encore, la température augmente à nouveau dans une couche stratosphérique.

Le spectre obtenu couvre l'ensemble des longueurs d'onde du domaine optique, du violet et ultraviolet proche, jusqu'au rouge et infrarouge proche. Cela permet de calculer les couleurs de l'étoile et du ciel, tels que vus par un oeil humain, comme si nous étions capable de voyager à l'intérieur de l'atmosphère de cette planète. Le résultat est surprenant : sur HD209458b le ciel est pourpre et le « coucher de soleil » est cyan !

Note(s): 
  1. Sing D., et al., Astrophysical Journal, 10 octobre 2008.
  2. A titre de comparaison, Mercure est 8,6 fois plus éloignée du Soleil et la température à sa surface exposée au soleil est de 430°C.
Source(s): 

"Determining atmospheric conditions at the terminator of the hot-Jupiter HD209458b".
Sing D., Vidal-Madjar A., Lecavelier des Etangs A., et al.
in Astrophysical Journal (à paraître le 10 octobre).

"HST/STIS Optical Transit Transmission Spectra of the hot-Jupiter HD209458b".
Sing D., Vidal-Madjar A., Désert J. -M., et al.,
in Astrophysical Journal (à paraître le 10 octobre).

"Rayleigh scattering by H2 in the extrasolar planet HD 209458b".
Lecavelier des Etangs A., Vidal-Madjar A., Désert J.-M., & Sing D.,
in Astronomy & Astrophysics 485, 865.

"TiO and VO broad band absorption features in the optical spectrum of the atmosphere of the hot-Jupiter HD 209458b".
Désert J.-M., Vidal-Madjar A., Lecavelier des Etangs A., et al.,
in Astronomy & Astrophysics, accepté.

Contact(s):
  • Alain Lecavelier des Etangs, IAP (CNRS/UPMC)
    lecavelier [at] iap [dot] fr, 01 44 32 80 77
  • David Sing, IAP
    sing [at] iap [dot] fr, 01 44 32 80 22

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