Une molécule « thermomètre » confirmée sur l'exoplanète WASP

Jun 21, 2023

L'hydrure de chrome (CrH), une molécule relativement rare et particulièrement sensible à la température, est utile comme « thermomètre pour les étoiles », selon l'astronome Laura Flagg, car elle n'est abondante que dans une plage étroite comprise entre 1 200 et 2 000 degrés Kelvin.

Flagg, chercheur associé en astronomie au Collège des Arts et des Sciences (A&S), a utilisé cet hydrure métallique ainsi que d'autres pour déterminer la température des étoiles froides et des naines brunes. En théorie, a-t-elle déclaré, l’hydrure de chrome pourrait faire la même chose pour les exoplanètes chaudes de Jupiter, dont la température est comparable à celle des naines brunes – si ces molécules particulières sont présentes dans l’atmosphère des exoplanètes. Des recherches antérieures, à basse résolution, laissaient entendre que c'était le cas.

Maintenant, Flagg et une équipe de chercheurs dirigée par Cornell ont confirmé, à l'aide d'observations spectrales à haute résolution, la présence d'hydrure de chrome dans l'atmosphère d'une exoplanète du chaud Jupiter WASP-31b, ouvrant la porte à l'utilisation de cette espèce moléculaire sensible à la température comme un « thermomètre » pour déterminer la température et d’autres caractéristiques des exoplanètes.

Flagg est l'auteur principal de « Détection ExoGemS d'un hydrure métallique dans une atmosphère d'exoplanète à haute résolution spectrale », publié le 16 août dans ApJ Letters. Les co-auteurs incluent : Ray Jayawardhana, professeur Hans A. Bethe et professeur d'astronomie (A&S) ; Jake D. Turner, chercheur Hubble au Cornell Center for Astrophysics & Planetary Science ; Ryan J. MacDonald, auparavant associé de recherche au Carl Sagan Institute et maintenant NASA Sagan Fellow à l'Université du Michigan ; et Adam Langeveld, chercheur postdoctoral en astronomie (A&S). Flagg, Turner et Langeveld sont membres du groupe de recherche de Jayawardhana.

L'hydrure de chrome n'a fait l'objet d'aucune détection confirmée dans aucune exoplanète, et il s'agit de la première détection d'un hydrure métallique à partir d'un spectre d'exoplanète à haute résolution, ont écrit les chercheurs.

La détection définitive d'hydrures métalliques dans WASP-31b constitue une avancée importante dans la compréhension de l'atmosphère des planètes géantes chaudes, a déclaré Flagg, bien que la découverte ne donne pas de nouvelles informations sur chaque planète. Découvert en 2011, WASP-31b orbite autour d'une étoile F5 une fois tous les 3,4 jours. Sa densité est extrêmement faible, même pour une planète géante, et la nouvelle étude confirme sa température d'équilibre à 1 400 Kelvin – dans la plage de l'hydrure de chrome.

"Les molécules d'hydrure de chrome sont très sensibles à la température", a déclaré Flagg. « À des températures plus chaudes, vous ne voyez que du chrome. Et à des températures plus basses, cela se transforme en autre chose. Il n’existe donc qu’une plage de températures spécifique, environ 1 200 à 2 200 Kelvin, où l’hydrure de chrome est observé en grande abondance.

Dans notre système solaire, la seule occurrence détectée de cette molécule se trouve dans les taches solaires, a déclaré Flagg : le soleil est trop chaud (environ 6 000 K à la surface) et tous les autres objets sont trop froids.

Dans ses recherches, Flagg utilise la spectroscopie à haute résolution pour détecter et analyser les atmosphères des exoplanètes, en comparant la lumière globale du système lorsque la planète est à côté de l'étoile avec celle lorsque la planète est devant l'étoile, bloquant ainsi une partie de la lumière de l'étoile. lumière. Certains éléments bloquent plus de lumière à certaines longueurs d’onde et moins de lumière à d’autres longueurs d’onde, révélant ainsi les éléments présents sur la planète.

"Une résolution spectrale élevée signifie que nous disposons d'informations de longueur d'onde très précises", a déclaré Flagg. « Nous pouvons obtenir des milliers de lignes différentes. Nous les combinons à l’aide de diverses méthodes statistiques, en utilisant un modèle – une idée approximative de ce à quoi ressemble le spectre – et nous le comparons aux données et nous les faisons correspondre. Si cela correspond bien, il y a un signal. Nous essayons tous les différents modèles et, dans ce cas, le modèle à hydrure de chrome a produit un signal.

Le chrome est rare, même à la bonne température, les chercheurs ont donc besoin d'instruments et de télescopes sensibles, a déclaré Flagg.

Pour analyser WASP-31b, les chercheurs ont utilisé les spectres haute résolution d'une nouvelle observation en mars 2022 dans le cadre de l'enquête Exoplanètes avec spectroscopie Gemini de Maunakea à Hawaï, en utilisant l'accès à distance Gemini au spectrographe CFHT ESPaDOnS (GRACES). Ils ont complété les données GRACES avec des données d'archives prises en 2017, qui n'étaient pas destinées à rechercher des hydrures métalliques.