WASP-12 b, à quoi ressemble-t-elle?

WASP-12 b est l’une des exoplanètes les plus étudiées et une des rares dont on pourrait dresser un portrait détaillé. Découverte en 2009 grâce au réseau de télescopes SuperWASP par Leslie Hebb (13), c’était la planète la plus chaude connue à cette époque, et celle au rayon le plus grand. Bien que l’étoile WASP-12 est plutôt faible, le système s’est révélé facile à étudier.

Elle est suffisamment chaude pour ne plus correspondre à la classe V de Sudarsky(1) et devrait appartenir au type spectral pM de Fortney(2) ou à l’équivalent Hot Metallic Jupiters de Fletcher(3). On devrait s’attendre à une atmosphère riche en métaux sous forme gazeuse, avec peut être des nuages de corindon (Al2O3) et une haute atmosphère riche en TiO et VO, deux gaz très absorbants provoquant une inversion de température en haute atmosphère. En gros, plus on monte haut en altitude, plus il fait chaud alors que sans gaz particuliers, la température ne peut que descendre en montant en altitude. Le même phénomène a lieu dans la haute atmosphère de la Terre ou la formation de l’ozone absorbe beaucoup d’ultraviolet et provoque une inversion de la température dans la stratosphère.

Une atmosphère qui s’étiole

En mai 2010, Fossati et son équipe étudient l’atmosphère de WASP-12 b avec l’instrument COS (Cosmic Origin Spectrographe) de Hubble(4). Ils y découvrent une exosphère étendue absorbant les UV, contenant du sodium, de l’étain et du manganèse neutres ainsi que des métaux ionisés comme l’ytterbium, le scandium, le manganèse, l’aluminium, le vanadium et le magnésium, ainsi que des raies inconnues.

En septembre de la même année, Bryce Croll publie une étude réalisée avec l’instrument WIRCam de l’Observatoire Canada-France-Hawaï(5). la planète est observée alors qu’elle passe derrière son soleil (transit secondaire). Lors de ces observations il a été montré que l’atmosphère de WASP-12 b est petit à petit arrachée par la gravité de l’étoile. Si inversion de température il y a, elle serait faible, plus faible que ce qui est prédit par les modèles et observé sur d’autres planètes semblables. L’albedo serait faible, et la chaleur serait mal redistribuée de la partie diurne vers la partie nocturne (donc pas de vents ni de rotation). La faible inversion de la température sera ensuite confirmée par d’autres études.

Une vue d’artiste mettant l’accent sur la forme de WASP-12 b et sur la perte progressive de son atmosphère. Credit: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

En décembre Madhusudhan et son équipe(6) annonce que la planète serait enrichie en carbone par rapport à l’oxygène (rapport C/O). Une autre étude publiée en juin 2011 par Petygura (7) indique à l’inverse que l’étoile WASP-12 serait pauvre en carbone. La controverse prend fin en 2015 avec la détection par Laura Kreidberg et al.(8) de vapeur d’eau dans l’atmosphère de WASP-12 b, une molécule qui ne peut se former dans une atmosphère riche en carbone.

L’oeuf cosmique

En décembre 2011, la planète est observée dans l’infrarouge dans le cadre de la mission chaude de Spitzer par l’équipe de Nicolas Cowan(9). Cette étude confirme un albédo faible , une mauvaise redistribution de la chaleur et surtout met en évidence la forme d’œuf de la planète, déformée par les forces de marées de son étoile.

En septembre 2013, les observations réalisées avec le Télescope Spatial Hubble(10) sur le spectre transmis ne permettent pas de détecter de TiO, expliquant ainsi la faible inversion de température. Les bandes d’absorption du sodium et du potassium ne sont pas détectées, pas plus que la signature des hydrides métalliques. En comparant les observations aux modèles théoriques, David Sing et ses collègues en déduisent que l’atmosphère de WASP-12 b est probablement chargée en aérosols, des petits grains de poussière de moins d’un micron de diamètre. Ces aérosols sont peut être constitués de corindon.L’absence de TiO est expliquée par son piégeage dans une zone froide de l’atmosphère, du coté nocturne.

La même année, Kevin Stevenson et al.(12) analysent des données prises dans le spectre rouge avec le spectrographe GMOS-N. Ils y découvrent la signature d’absorbeurs qui pourraient être des oxydes (TiO, VO). Ils réanalysent également les mesures prises avec la Wide Field Camera 3 de Hubble et Spitzer dans l’infrarouge et y détectent dans l’atmosphère de la planète la signature de la vapeur d’eau (H2O) et du méthane (CH4). L’ensemble des données récoltées correspondent (au niveau du terminateur) à une atmosphère  brumeuse dominée par la diffusion de Rayleigh (responsable de la couleur bleu du ciel terrestre) à 1870K seulement.

Les couchers de soleil sur WASP-12 b, HD 209458 b, HD 189733 b et la Terre, à l’échelle. sur le blog d’ExoClimes, tous droits réservés.

Le coté diurne de WASP-12 b a été étudié dans le visible et l’étude a été publiée en septembre 2017 (11). D’après Taylor Bell, ni le modèle avec de la brume d’alumine ni les modèles sans nuages ne collent parfaitement aux observations. Le coté illuminé de la planète est trop chaud pour que des nuages ou des aérosols puissent s’y former, mais c’est différent pour le coté nocturne et la zone limitrophe entre les deux ou les brumes pourraient se former, expliquant le spectre en transmission. La lumière réfléchie par la planète, avec un albédo mesuré de 0.064 est faible, ce qui a valu à WASP-12 b le surnom de planète aussi noire que l’asphalte.

Vue d’artiste de WASP-12 b, mettant l’accent sur l’albedo de l’astre. Crédit:NASA/JPL-Caltech

Chauffée à blanc!

Mais il ne faut pas oublier que l’astre est aussi chaud qu’une petite étoile (2580K). WASP-12 b a donc beau refléter peu de lumière, elle en émet suffisamment pour ne certainement pas être aussi noire que de l’asphalte. Ce rayonnement, appelé rayonnement du corps noir est ce qui donne sa couleur et son éclat au Soleil, aux lampes à incandescence, aux métaux forgés et même au corps humain (dans l’infrarouge). La couleur d’un corps noir chauffé à 2580K est orangée, très proche de la lumière émise par de nombreuses lampes à incandescence (3000K). Bien que ce rayonnement soit essentiellement émis dans l’infrarouge, 90% de la lumière perçue en est issue, seul 10% est de la lumière stellaire réfléchie.

 

Vue d’artiste mettant en scène la perte d »atmosphère et l’émission du corps noir de WASP-12 b. Crédit: NASA/JPL-Caltech

Un portrait détaillé

Il est possible désormais de dresser un portrait visuel de cette exoplanète. A commencer par sa forme allongée par la gravité. Entre son axe le plus long et l’axe le plus court, il y aurait un rapport de 3:2, une forme ovoïde, probablement plus déformée vers l’avant que vers l’arrière.

Ensuite, le coté exposé à la lumière, très chaud, émet sa propre lumière dans des tons orangés. A cette température, aucune espèce condensée ne peut se former, il n’y a aucune brume, aucun nuage. Petites étoiles, naines brunes et planètes sont constitués de gaz animés de mouvements de convections, j’ai donc choisi de texturer la face éclairée avec des cellules de convection apparentes, à la manière des granulations solaires. On peut néanmoins se demander si dans ces conditions extrêmes, d’autres comportements d’étoiles peuvent être observés. WASP-12 b a-t-elle des tâches solaires? Des éruptions? Une chromosphère? Difficile de répondre à ces question pour l’instant puisque l’exosphère de la planète absorbe le rayonnement caractéristique de l’activité stellaire.

Le terminateur est la zone la plus étudiée, mais l’interprétation des résultats n’est pas facile. L’observation des phases de la planète indique qu’il est brillant et différentes analyses indiquent qu’il est riche en aérosols, en brume faite de petits grains de matière. Probablement du corindon.Les modèles collant le plus aux observations décrivent une zone à laquelle la diffusion de Rayleigh doit donner une couleur bleue soutenue, mais aucun nuage à proprement parler. Un certain nombre d’exoplanètes ont un terminateur asymétrique, nuageux d’un coté, clair de l’autre. Cette asymétrie est causée par des vents violents qui ne semblent pas souffler sur WASP-12 b.

Le coté nocturne n’a pas encore été étudié, on sait seulement qu’il doit être relativement frais et nuageux, piégeant une partie du titane et du vanadium sous forme solide.

L’exosphère de WASP-12 b s’étend jusqu’à deux fois son rayon. Elle est opaque à certains rayonnements et est riche en éléments absorbants, mais difficile de dire son impact sur le visuel de la planète. elle se prolonge en direction de l’étoile sous la forme d’un courant de gaz formant un disque d’accrétion vaporeux autour de l’astre. L’exosphère absorbant beaucoup dans l’ultraviolet, c’est à dire dans l’aile bleue du spectre, j’ai choisi de la représenter en réponse, en rouge. Je ne représente également que la partie la plus brillante de l’exosphère qui doit être la plus proche de la surface, à l’avant de la planète.

Toutes les représentations précédentes ne mettaient en scène qu’une seule information, elles ont toutes été faites pour illustrer une découverte, mais n’ont pas forcément vocation à être réalistes.Avec cette vue d’artiste, je cherche à représenter le plus d’informations exactes possible en une seule image. Il est évident que la planète n’est pas identique à ce dessin, mais j’espère qu’elle lui ressemble un peu.

Vue personnelle de WASP-12 b, représentée avec son exosphère. Licence Creative Commons Attribution – Partage dans les Mêmes Conditions 4.0 International. Licence Creative Commons
Vue personnelle de WASP-12 b sans son exosphère. Licence Creative Commons Attribution – Partage dans les Mêmes Conditions 4.0 International. Licence Creative Commons

Références:

  1. Theoretical Spectra and Atmospheres of Extrasolar Giant Planets (D. Sudarsky et al. 2002)
  2. A Unified Theory for the Atmospheres of the Hot and Very Hot Jupiters: Two Classes of Irradiated Atmospheres (J. J. Fortney et al. 2007)
  3. Exploring the Diversity of Jupiter-Class Planets (L. N. Fletcher et al. 2014)
  4. Metals in the Exosphere of the Highly Irradiated Planet WASP-12b (L. Fossati et al. 2010)
  5. Near-infrared Thermal Emission from WASP-12b: detections of the secondary eclipse in Ks, H & J (B. Croll et al. 2010)
  6. High C/O Ratio and Weak Thermal Inversion in the Very Hot Atmosphere of Exoplanet WASP-12b (N. Madhusudhan et al.2010)
  7. Carbon and Oxygen in Nearby Stars: Keys to Protoplanetary Disk Chemistry ( E. Petygura & G. Marcy 2011)
  8. A Detection of Water in the Transmission Spectrum of the Hot Jupiter WASP-12b and Implications for its Atmospheric Composition (L. Kreidberg et al. 2015)
  9. Thermal Phase Variations of WASP-12b: Defying Predictions (N. B. Cowan et al. 2011)
  10. HST hot Jupiter transmission spectral survey: evidence for aerosols and lack of TiO in the atmosphere of WASP-12b (D. K. Sing et al. 2013)
  11. The Very Low Albedo of WASP-12b From Spectral Eclipse Observations with Hubble (T. J. Bell et all. 2017)
  12. Transmission Spectroscopy of the Hot-Jupiter WASP-12b from 0.7 to 5 microns (K. B. Stevenson et al. 2013)
  13. WASP-12b: The hottest transiting planet yet discovered (L.Hebb et al. 2008)