Observations des Jupiters ultra chauds : démêler les biais des modèles d’inversion de données

Les Jupiters ultra chauds sont une catégorie d’exoplanètes gazeuses relativement rare, orbitant très proche de leur étoile (Trotation < 10 jours) et dont la température d’équilibre, supérieure à 2200 K, permet d’atteindre des températures de petites étoiles au sein de leurs atmosphères. Ces objets très chauds sont en rotation synchrone autour de leur étoile, séparant ainsi leur atmosphère en un hémisphère jour, extrêmement chaud et enflé et un hémisphère nuit, bien plus froid et contracté. Cette dichotomie jour-nuit couplée au côté jour enflé rend particulièrement intéressante l’étude de ces atmosphères par spectroscopie en transmission, car la diminution de luminosité lors du transit devant l’étoile est plus forte que pour des planètes plus froides.

Pour caractériser les atmosphères de ces planètes, nous utilisons des modèles d’inversion de données qui, à partir du spectre en transmission, permettent de remonter aux propriétés physiques et chimiques de ces atmosphères (abondances moléculaires, nuages et brumes, profils en température, etc.). Cependant, ces modèles sont unidimensionnels et font l’hypothèse d’atmosphères homogènes où seule la région du terminateur, zone séparant le côté jour du côté nuit, est sondée. Or, les modèles de climats globaux 3D montrent que ces hypothèses s’appliquent mal aux Jupiters ultra chauds, impliquant alors des biais dans les modèles d’inversion dus à la structure tridimensionnelle de ces atmosphères.

Afin de démêler ces biais, nous avons choisi d’étudier le Jupiter ultra chaud Wasp-121 b, en simulant des observations du télescope spatial James-Webb (JWST) en transit de son atmosphère puis en utilisant le modèle d’inversion TauREx. La figure 1 montre les cartes en température et en abondance en eau (coupe équatoriale) simulées par un modèle de climat global 3D (GCM) de Wasp-121 b. La carte en température met en évidence la dichotomie géométrique entre le côté jour et le côté nuit de l’atmosphère, montrant aussi la transition brutale entre celles-ci. La carte d’abondance en eau indique l’absence d’eau du côté jour de la planète, ceci étant dû aux températures atteintes ici qui sont telles qu’elles provoquent la dissociation thermique d’espèces comme l’eau. Nous allons voir que cette hétérogénéité chimique jour/nuit va impacter fortement les résultats de TauREx.



Figure 1 : Simulations GCM de Wasp-121 b. Carte des températures (haut) et de l’abondance en eau (bas) pour une coupe équatoriale. Du centre vers l’extérieur, les lignes noires représentent les niveaux de pressions à 1.434.107, 103, 1, 10-2, 10-4 Pa respectivement. Le rayon de la planète et de l’atmosphère sont à l’échelle.

La figure 2 montre les spectres en transmission obtenus à partir d’un modèle simplifié de l’atmosphère de Wasp-121 b, composée uniquement de H2, He, CO et H2O. Nous faisons l’hypothèse d’une abondance en eau identique partout (bleu foncé) puis variable en tenant compte de la dissociation thermique (bleu clair). Notons que le CO n’est pas thermiquement dissocié dans la gamme de température-pression de cette atmosphère et garde alors une abondance identique partout dans nos simulations. La figure 2 indique que la dissociation de l’eau du côté jour a un fort impact sur le spectre en transit, puisque ses bandes d’absorptions apparaissent avec une amplitude considérablement réduite par rapport au spectre sans dissociation. Cela indique que nous sondons des températures bien plus froides, potentiellement du côté nuit de la planète. En revanche, il apparait que la bande d’absorption du CO reste forte due au fait que cette molécule reste présente du côté jour, à une température bien plus élevée. Les signatures spectrales proviennent alors de deux régions très différentes de l’atmosphère, ce qui va empêcher le modèle d’inversion de retrouver l’abondance des molécules.


Figure 2 : Spectre en transmission de Wasp-121 b à la résolution R=100. Lorsque la dissociation de l’eau est prise en compte (bleu clair), les bandes d’absorption de l’eau sont moins profondes que lorsque la dissociation de l’eau n’est pas supposée (bleu foncé). Les courbes noires et grises correspondent respectivement aux spectres de transmission pour une atmosphère sans CO sans et avec dissociation de l’eau, mettant en évidence les bandes d’absorptions du CO dans les autres courbes.

L’analyse de TauREx que nous avons faite sur ces spectres montre que le rapport des abondances en CO et en H2O est biaisé, de presque 2 ordres de grandeur, démontrant l’incapacité du modèle d’inversion à analyser cette atmosphère. Nous avons ainsi montré qu’il sera donc nécessaire d’améliorer ces modèles en vue des futures observations notamment par le télescope spatial Ariel et le JWST.

Contact au LAB : William Pluriel

Pour aller plus loin : Pluriel et al. 2020, eprint arXiv:2003.05943