Le télescope spatial Webb fournira des détails sur deux “super-terres” intrigantes dans la Voie lactée

Exoplanète 55 Cancri e et son étoile

Illustration montrant à quoi pourrait ressembler l’exoplanète 55 Cancri e, basée sur la compréhension actuelle de la planète. 55 Cancri e est une planète rocheuse dont le diamètre est presque le double de celui de la Terre et qui orbite à seulement 0,015 unité astronomique de son étoile semblable au Soleil. En raison de son orbite étroite, la planète est extrêmement chaude, avec des températures diurnes atteignant 4 400 degrés Fahrenheit (environ 2 400 degrés Celsius). Les observations spectroscopiques à l’aide de la caméra dans le proche infrarouge (NIRCam) et de l’instrument dans l’infrarouge moyen (MIRI) de Webb aideront à déterminer si la planète a ou non une atmosphère, et si oui, de quoi cette atmosphère est composée. Les observations aideront également à déterminer si la planète est verrouillée ou non par les marées. Crédit : NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Les astronomes formeront les spectrographes de haute précision de Webb sur deux exoplanètes rocheuses intrigantes.

Imaginez si la Terre était beaucoup, beaucoup plus proche du Soleil. Si proche qu’une année entière ne durerait que quelques heures. Si proche que la gravité a enfermé un hémisphère dans la lumière du jour brûlante permanente et l’autre dans les ténèbres éternelles. Si près que les océans bouillonnent, que les roches commencent à fondre et que les nuages ​​font pleuvoir de la lave.

Bien que rien de tel n’existe dans notre propre système solaire, des planètes comme celle-ci – rocheuses, à peu près de la taille de la Terre, extrêmement chaudes et proches de leurs étoiles – ne sont pas rares dans le monde.[{” attribute=””>Milky Way galaxy.

What are the surfaces and atmospheres of these planets really like? Exoplanet LHS 3844 b and Its Star

Illustration showing what exoplanet LHS 3844 b could look like, based on current understanding of the planet.
LHS 3844 b is a rocky planet with a diameter 1.3 times that of Earth orbiting 0.006 astronomical units from its cool red dwarf star. The planet is hot, with dayside temperatures calculated to be greater than 1,000 degrees Fahrenheit (greater than about 525 degrees Celsius). Observations of the planet’s thermal emission spectrum using Webb’s Mid-Infrared Instrument (MIRI) will provide more evidence to help determine what the surface is made of. Credit: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Geology from 50 Light-Years: Webb Gets Ready to Study Rocky Worlds

With its mirror segments beautifully aligned and its scientific instruments undergoing calibration, NASA’s James Webb Space Telescope (Webb) is just weeks away from full operation. Soon after the first observations are revealed this summer, Webb’s in-depth science will begin.

Included in the investigations planned for the first year are studies of two hot exoplanets classified as “super-Earths” for their size and rocky composition: the lava-covered 55 Cancri e and the airless LHS 3844 b. Scientists will train Webb’s high-precision spectrographs on these planets with a view to understanding the geologic diversity of planets across the galaxy, as well as the evolution of rocky planets like Earth.

Super-Hot Super-Earth 55 Cancri e

55 Cancri e orbits less than 1.5 million miles from its Sun-like star (one twenty-fifth of the distance between Mercury and the Sun), completing one circuit in less than 18 hours. With surface temperatures far above the melting point of typical rock-forming minerals, the day side of the planet is thought to be covered in oceans of lava.

Comparison of Exoplanets 55 Cancri e and LHS 3844 b to Earth and Neptune

Illustration comparing rocky exoplanets LHS 3844 b and 55 Cancri e to Earth and Neptune. Both 55 Cancri e and LHS 3844 b are between Earth and Neptune in terms of size and mass, but they are more similar to Earth in terms of composition.
The planets are arranged from left to right in order of increasing radius.
Image of Earth from the Deep Space Climate Observatory: Earth is a warm, rocky planet with a solid surface, water oceans, and a dynamic atmosphere.
Illustration of LHS 3844 b: LHS 3844 b is a hot, rocky exoplanet with a solid, rocky surface. The planet is too hot for oceans to exist and does not appear to have any significant atmosphere.
Illustration of 55 Cancri e: 55 Cancri e is a rocky exoplanet whose dayside temperature is high enough for the surface to be molten. The planet may or may not have an atmosphere.
Image of Neptune from Voyager 2: Neptune is a cold ice giant with a thick, dense atmosphere.
The illustration shows the planets to scale in terms of radius, but not location in space or distance from their stars. While Earth and Neptune orbit the Sun, LHS 3844 b orbits a small, cool red dwarf star about 49 light-years from Earth, and 55 Cancri e orbits a Sun-like star roughly 41 light-years away. Both are extremely close to their stars, completing one orbit in less than a single Earth day.
Credit: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Planets that orbit this close to their star are assumed to be tidally locked, with one side facing the star at all times. As a result, the hottest spot on the planet should be the one that faces the star most directly, and the amount of heat coming from the day side should not change much over time.

But this doesn’t seem to be the case. Observations of 55 Cancri e from NASA’s Spitzer Space Telescope suggest that the hottest region is offset from the part that faces the star most directly, while the total amount of heat detected from the day side does vary.

Does 55 Cancri e Have a Thick Atmosphere?

One explanation for these observations is that the planet has a dynamic atmosphere that moves heat around. “55 Cancri e could have a thick atmosphere dominated by oxygen or nitrogen,” explained Renyu Hu of NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Southern California, who leads a team that will use Webb’s Near-Infrared Camera (NIRCam) and Mid-Infrared Instrument (MIRI) to capture the thermal emission spectrum of the day side of the planet. “If it has an atmosphere, [Webb] a la sensibilité et la gamme de longueurs d’onde pour le détecter et déterminer de quoi il est fait », a ajouté Hu.

Ou est-ce qu’il pleut de la lave le soir sur 55 Cancri e ?

Une autre possibilité intrigante, cependant, est que 55 Cancri e ne soit pas verrouillé par marée. Au lieu de cela, cela peut être comme Mercure, tournant trois fois toutes les deux orbites (ce qu’on appelle une résonance 3: 2). En conséquence, la planète aurait un cycle jour-nuit.

“Cela pourrait expliquer pourquoi la partie la plus chaude de la planète est déplacée”, a expliqué Alexis Brandeker, un chercheur de l’Université de Stockholm qui dirige une autre équipe qui étudie la planète. « Tout comme sur Terre, il faudrait du temps pour que la surface se réchauffe. Le moment le plus chaud de la journée serait l’après-midi, pas juste à midi.

Spectre d'émission thermique de l'exoplanète LHS 3844 b

Spectre d’émission thermique possible de l’exoplanète super-Terre chaude LHS 3844 b, tel que mesuré par l’instrument infrarouge moyen de Webb. Un spectre d’émission thermique montre la quantité de lumière de différentes longueurs d’onde infrarouges (couleurs) émise par la planète. Les chercheurs utilisent des modèles informatiques pour prédire à quoi ressemblera le spectre d’émission thermique d’une planète en supposant certaines conditions, telles que l’existence ou non d’une atmosphère et la composition de la surface de la planète.
Cette simulation particulière suppose que LHS 3844 b n’a pas d’atmosphère et que le côté jour est recouvert de basalte de roche volcanique sombre. (Le basalte est la roche volcanique la plus courante de notre système solaire, constituant des îles volcaniques comme Hawaï et la majeure partie du fond océanique de la Terre, ainsi que de grandes parties des surfaces de la Lune et de Mars.)
À titre de comparaison, la ligne grise représente un spectre modèle de roche basaltique basé sur des mesures en laboratoire. La ligne rose est le spectre du granit, la roche ignée la plus commune trouvée sur les continents de la Terre. Les deux types de roche ont des spectres très différents car ils sont constitués de minéraux différents, qui absorbent et émettent différentes quantités de différentes longueurs d’onde de lumière.
Une fois que Webb aura observé la planète, les chercheurs compareront le spectre réel aux spectres modélisés de divers types de roches comme ceux-ci pour déterminer de quoi est faite la surface de la planète.
Crédits : NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI), Laura Kreidberg (MPI-A), Renyu Hu (NASA-JPL)

L’équipe de Brandeker prévoit de tester cette hypothèse en utilisant NIRCam pour mesurer la chaleur émise par le côté éclairé de 55 Cancri e pendant quatre orbites différentes. Si la planète a une résonance de 3:2, ils observeront chaque hémisphère deux fois et devraient pouvoir détecter toute différence entre les hémisphères.

Dans ce scénario, la surface chaufferait, fondrait et même se vaporiserait pendant la journée, formant une atmosphère très fine que Webb pourrait détecter. Le soir, la vapeur se refroidirait et se condenserait pour former des gouttelettes de lave qui retomberaient à la surface, redevenant solides à la tombée de la nuit.

Super-Terre LHS 3844 b un peu plus froide

Alors que 55 Cancri e donnera un aperçu de la géologie exotique d’un monde recouvert de lave, LHS 3844b offre une occasion unique d’analyser la roche solide sur un[{” attribute=””>exoplanet surface.

Like 55 Cancri e, LHS 3844 b orbits extremely close to its star, completing one revolution in 11 hours. However, because its star is relatively small and cool, the planet is not hot enough for the surface to be molten. Additionally, Spitzer observations indicate that the planet is very unlikely to have a substantial atmosphere.

What Is the Surface of LHS 3844 b Made of?

While we won’t be able to image the surface of LHS 3844 b directly with Webb, the lack of an obscuring atmosphere makes it possible to study the surface with spectroscopy.

“It turns out that different types of rock have different spectra,” explained Laura Kreidberg at the Max Planck Institute for Astronomy. “You can see with your eyes that granite is lighter in color than basalt. There are similar differences in the infrared light that rocks give off.”

Kreidberg’s team will use MIRI to capture the thermal emission spectrum of the day side of LHS 3844 b, and then compare it to spectra of known rocks, like basalt and granite, to determine its composition. If the planet is volcanically active, the spectrum could also reveal the presence of trace amounts of volcanic gases.

The importance of these observations goes far beyond just two of the more than 5,000 confirmed exoplanets in the galaxy. “They will give us fantastic new perspectives on Earth-like planets in general, helping us learn what the early Earth might have been like when it was hot like these planets are today,” said Kreidberg.

These observations of 55 Cancri e and LHS 3844 b will be conducted as part of Webb’s Cycle 1 General Observers program. General Observers programs were competitively selected using a dual-anonymous review system, the same system used to allocate time on Hubble.

The James Webb Space Telescope is the world’s premier space science observatory. Webb will solve mysteries in our solar system, look beyond to distant worlds around other stars, and probe the mysterious structures and origins of our universe and our place in it. Webb is an international program led by NASA with its partners, ESA (European Space Agency) and the Canadian Space Agency.