Titre: Interpréter la composition atmosphérique des exoplanètes : sensibilité aux hypothèses de formation des planètes
Auteurs: Paul Mollière, Tamara Molyarova, Bertram Bitsch, Thomas Henning, Aaron Schneider, Laura Kreidberg, Christian Eistrup, Remo Burn, Evert Nasedkin, Dmitry Semenov, Christoph Mordasini, Martin Schlecker, Kamber R. Schwarz, Sylvestre Lacour, Matthias Nowak, Mathias Now
Institution du premier auteur : Institut Max-Planck d’astronomie, Königstuhl 17, 69117 Heidelberg, Allemagne
Statut: Accepté à l’ApJ [open access]
L’une des plus grandes questions qui animent les astronomes est “D’où venons-nous ?” Qu’il s’agisse d’étudier les premières heures de l’univers, ou la formation des étoiles et des galaxies, ou la composition des planètes en orbite autour d’étoiles lointaines (exoplanètes), les astronomes essaient d’utiliser les observations de l’univers pour reconstituer une histoire qui décrit comment les choses sont devenues les comme ils sont. Pendant une bonne partie de deux décennies, les astronomes focalisés sur les exoplanètes ont tenté de mesurer les molécules qui composent les atmosphères des exoplanètes afin de mieux comprendre comment ces exoplanètes se sont formées. Comprendre combien d’exoplanètes différentes se forment peut alors aider les astronomes à comprendre comment notre propre système solaire s’est formé et comment la Terre et la vie elle-même ont vu le jour.
Cependant, quelques problèmes empêchent les astronomes d’établir ces connexions de manière fiable. Eh bien, beaucoup de problèmes, en fait. D’une part, les atmosphères des exoplanètes sont difficiles à mesurer, mais cela pourrait bientôt changer avec le lancement de JWST. D’autre part, la formation des planètes est dynamique et différents modèles de formation des planètes peuvent produire des atmosphères d’aspect radicalement différent. L’article d’aujourd’hui présente un nouveau cadre pour résoudre ce deuxième problème et montre comment différents modèles de formation de planètes peuvent conduire à différentes interprétations de la formation de l’exoplanète HR 8799e.
Fabriquer des planètes est complexe !
La formation des planètes est un sujet dense (les astrobites récentes intéressantes incluent celle-ci, et celle-ci, et une ancienne critique), mais dans les grandes lignes : les planètes se forment à partir de disques de gaz et de poussière qui entourent les jeunes étoiles, appelés “disques protoplanétaires”. Les planètes géantes, comme Jupiter, se forment lorsque leurs noyaux rocheux deviennent suffisamment massifs (en s’écrasant contre d’autres roches) pour aspirer le gaz du disque protoplanétaire.
Quand et où une planète en formation aspire son gaz aura des implications sur les molécules qui se retrouveront dans son atmosphère. En effet, à mesure que vous vous éloignez de l’étoile centrale d’un disque, le disque se refroidit et les molécules qui étaient gazeuses peuvent se condenser en glace et devenir solides. Ce sont des “lignes de glace” à l’intérieur du disque protoplanétaire (voir la ligne rouge sur la figure 1). Il y a environ dix ans, une étude a suggéré que le rapport des atomes de carbone aux atomes d’oxygène dans l’atmosphère d’une exoplanète pourrait indiquer entre quelles lignes de glace elle s’est formée, puisque le gel de l’eau, du dioxyde de carbone et du monoxyde de carbone modifie le rapport de ces deux éléments. dans le gaz du disque. Cette étude a suggéré que si le rapport C/O d’une exoplanète pouvait être mesuré, les astronomes pourraient dire où dans le disque protoplanétaire elle s’est formée.
Comme indiqué dans l’article d’aujourd’hui, les choses ne sont pas si simples. Un exemple utilisé par l’article est le fait que, tout comme l’exoplanète se forme, la chimie du disque change avec le temps, car le disque est chauffé par l’étoile nouvellement née et est perturbé par la planète nouvellement née. La figure 1 montre le rapport C / O dans tout le disque pour le modèle statique introduit dans l’étude précédente et des instantanés dans le temps d’un disque évoluant comme, par exemple, le monoxyde de carbone est transformé en dioxyde de carbone par la chaleur de l’étoile.
Renverser la table (ou « inversion du modèle de formation »)
Cette quête n’est pas sans espoir : l’article d’aujourd’hui a cherché à présenter un cadre dans lequel les différentes hypothèses et incertitudes mentionnées ci-dessus pourraient être comparées aux mesures atmosphériques disponibles, afin de décrire des liens significatifs entre les observations et les prédictions des modèles.
Le vrai problème est que ces modèles complexes de formation de planètes nécessitent un ensemble d’hypothèses en entrée et donnent la mesure atmosphérique prévue d’une planète en sortie. Les astronomes mesurent la sortie, de sorte que les modèles doivent être “inversés” afin de déterminer l’emplacement de la formation de la planète. Ce que le nouveau cadre d’aujourd’hui génère de nombreux modèles différents avec divers paramètres d’entrée et compare leurs sorties aux abondances mesurées d’une exoplanète donnée, pour voir quelles entrées de modèle donnent la meilleure correspondance avec les mesures. Ils peuvent le faire pour différents modèles, puis comparer les meilleurs paramètres d’entrée correspondants entre les modèles. Cela leur permet d’examiner ce que différents modèles prédisent pour l’origine d’une exoplanète donnée.
Où le HR 8799e a-t-il obtenu son carbone et son oxygène ?
HR 8799e est la planète géante gazeuse la plus interne d’un système de quatre planètes géantes directement imagées. L’article d’aujourd’hui utilise leur nouveau cadre sur HR 8799e et démontre comment l’inclusion du changement dans le temps des produits chimiques dans le disque protoplanétaire et le mouvement de petites roches à travers le disque pendant la formation de la planète modifient l’histoire de formation prévue de la planète.
L’atmosphère de HR 8799e a été précédemment étudiée à l’aide des données de l’instrument VLTI / GRAVITY. Cette étude a révélé que le rapport C / O de la planète était de 0,6 (c’est-à-dire 6 atomes de carbone pour 10 atomes d’oxygène). Ils utilisent cette mesure et leur nouveau cadre d’analyse pour comparer le modèle simpliste d’un disque protoplanétaire et d’un disque évoluant chimiquement.
Leurs résultats indiquent que le modèle simple prédit que HR 8799e s’est formé soit à l’intérieur de la ligne de glace H20 (très proche de son étoile hôte), soit à l’extérieur de la ligne de glace CO (loin). Quoi qu’il en soit, la planète orbite maintenant au milieu de ces deux extrêmes, ce qui indique qu’elle a dû migrer depuis l’endroit où elle s’est formée à l’origine (voir la figure 2, panneau de gauche). Cependant, le modèle de disque évoluant chimiquement fait une prédiction légèrement différente, indiquant qu’à mesure que le disque évolue chimiquement, l’emplacement de formation le plus probable de HR 8799e se déplace vers l’intérieur au-delà de la ligne de glace de CO vers l’intérieur (voir la figure 2, panneau de droite). Cela pourrait indiquer que, selon le moment où HR 8799e a commencé à se former par rapport à l’évolution chimique du disque, il n’a peut-être pas eu besoin de migrer pour atteindre sa position actuelle.
L’astrobite d’aujourd’hui présente un récit complexe de l’archéologie exoplanétaire, explorant différentes hypothèses qui peuvent changer la façon dont les astronomes déduisent l’histoire de la formation des exoplanètes. Avec de nouvelles détections atmosphériques améliorées à l’horizon (bonjour JWST !), ce nouveau cadre de comparaison des modèles de formation s’avérera un outil utile pour aider les astronomes à comprendre comment et où les exoplanètes se forment, et peut-être éventuellement, comment nous en sommes arrivés là.
Astrobite édité par Lynnie Saade
Crédit image en vedette : “L’instrument GRAVITY innove dans l’imagerie des exoplanètes HR 8799e” illustration par ESO / L. Calçada / SpaceEngine, édité par William Balmer
À propos de Guillaume Balmer
William Balmer (ils/elles) est doctorant à JHU/STScI et étudie la formation, l’évolution et la composition des planètes géantes, des naines brunes et des étoiles de très faible masse. Ils aiment la lecture, les jeux de table, le vélo et l’astrophotographie.