Has JWST Finally Found an Exomoon?

Les astronomes n’ont pas encore trouvé de preuves irréfutables de l’existence de satellites naturels d’exoplanètes – appelés exolunes – mais à mesure que les preuves circonstancielles s’accumulent et que la liste des candidats s’allonge, la découverte d’une exolune véritablement bleue semble se profiler à l’horizon.

La dernière affirmation, pas tout à fait fumante, concerne une exomoon potentielle qui pourrait entrer en éruption et rejeter des débris sur et autour de sa planète hôte. À l’aide du télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA, les astronomes ont identifié un nuage de gaz à proximité de l’exoplanète géante gazeuse WASP-39b qui pourrait provenir d’un satellite qui l’accompagne. Mais même si ce prétendu compagnon lunaire s’avère illusoire, cette nouvelle méthode de traque de sources mystérieuses de matière inexpliquée autour d’exoplanètes géantes pourrait devenir une voie définitive pour les futures découvertes d’exomoon.

Depuis sa découverte en 2011, WASP-39b est une cible fréquente des astronomes ; la grande taille de la planète, son orbite de courte période et son transit dans l’ombre (traversant la face de son étoile vue de la Terre) la rendent propice à des études plus approfondies. En 2023, des chercheurs ont annoncé la détection de dioxyde de soufre dans l’atmosphère de la planète. Maintenant, une nouvelle étude préimprimée, acceptée pour publication dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society, conteste certains détails de cette conclusion. Selon cette nouvelle étude, la source du dioxyde de soufre est une exomoon hypervolcanique, similaire à bien des égards au satellite Io de Jupiter. Pris dans une lutte acharnée gravitationnelle entre la gravité intense de Jupiter et celle d’autres grandes lunes proches, les entrailles d’Io sont pétries comme de la pâte par les forces de marée, générant une immense chaleur qui alimente d’énormes éruptions.

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Pour cette exoplanète et sa lune putative, le processus serait « presque identique à celui d’Io ». [and Jupiter] sauf que [WASP-39b] est très proche de l’étoile”, explique Apurva Oza du California Institute of Technology, qui a dirigé la nouvelle étude. “L’étoile la cuit vraiment, gravitationnellement et thermiquement également.”

Un Exo-Io ?

Corps le plus volcaniquement actif du système solaire, Io éjecte de la matière qui est ensuite balayée dans l’espace par la magnétosphère de Jupiter à une vitesse d’environ une tonne par seconde. Le résultat est un tore de gaz, de poussière et d’autres débris s’étendant autour de Jupiter, constamment reconstitué par les éruptions incessantes d’Io.

En 2006, des chercheurs ont avancé que des nuages ​​similaires autour d’exoplanètes pourraient révéler la présence de lunes. Oza a commencé à travailler avec l’un de ces chercheurs quelques années plus tard, réfléchissant à la manière dont le sodium pourrait devenir « un phare pour les exomoons et les exorings ». En 2019, lui et ses collègues ont dressé une liste de cibles potentielles à prioriser dans la recherche de telles balises. WASP-39b était l’un des prétendants.

Bien que JWST ait été le premier à détecter du dioxyde de soufre autour de WASP-39b, d’autres observatoires tels que le télescope spatial Hubble de la NASA et le très grand télescope de l’Observatoire européen austral dans le nord du Chili y ont également détecté du sodium et du potassium. Oza et ses collègues ont rassemblé toutes les observations et ont suivi leur variation sur plus d’une décennie. Plutôt que d’être uniformes et associés sans ambiguïté au WASP-39b lui-même, les signaux fluctuants des composés suggéraient à Oza et à ses collègues un comportement épisodique, tandis que la composition faisait allusion à une source externe.

“Le fait que ces espèces particulières varient indique vraiment quelque chose qui ressemble davantage à un corps solide, comme le serait une lune”, explique Kurt Retherford, un scientifique planétaire au Southwest Research Institute de San Antonio, au Texas, qui n’a pas participé à l’étude d’Oza. Lors de diverses réunions professionnelles ces dernières années, Retherford est apparu comme un critique persistant de la technique de chasse aux exomoons préférée d’Oza, se présentant aux discussions d’Oza pour poser des questions difficiles et sceptiques.

Mais cela a peut-être changé depuis qu’Oza a présenté ses recherches sur WASP-39b le mois dernier lors de la conférence conjointe Europlanet Science Congress/Division of Planetary Sciences (EPSC-DPS) à Helsinki, en Finlande.

“Avant de voir son discours, j’aurais pensé davantage à la planète elle-même” comme source probable de dioxyde de soufre, dit Retherford. Mais aujourd’hui, il a changé d’avis. Une source externe non planétaire pour les lectures étranges de WASP-39b est plus raisonnable, dit-il, “peut-être qu’une exomoon soit la meilleure explication des données telles qu’elles se présentent actuellement”.

Chasse aux Exomoons

Oza et son équipe appliquent déjà la technique à d’autres stars. Ils ont déjà trouvé un autre monde en transit, WASP-49Ab, qui, selon eux, est un candidat sérieux pour accueillir une exomoon. Comme son frère, WASP-49b est un « Jupiter chaud », une géante gazeuse en orbite extrêmement proche de son étoile. Un nuage de sodium orbite autour de l’étoile par à-coups qui suggèrent des éruptions. Cette étude a été publiée l’année dernière dans le Lettres de journaux astrophysiques.

Récemment, le collaborateur d’Oza et co-auteur de la nouvelle étude, Athira Unni de l’Université de Californie à Santa Cruz, a publié des mesures du mouvement du gaz lui-même autour de WASP-49b, citant la vitesse rapide autour du système comme un indice indiquant que l’origine serait un satellite volcanique plutôt que des éruptions stellaires ou d’autres sources astrophysiques. Ces mesures semblent suggérer une lune avec une orbite de huit heures autour de sa planète hôte, selon Oza. Si les observations des vitesses des gaz autour de WASP-39b révélaient des tendances similaires, spécule Retherford, “ce serait la preuve irréfutable d’une exomoon”.

Mais les signaux ne sont pas totalement sans ambiguïté. Toutes les cibles de la liste 2019 d’Oza sont des Jupiters chauds. WASP-39b a à peu près la taille de Saturne et tourne autour de son étoile semblable au soleil une fois tous les quatre jours ; cette orbite brûlante chauffe le côté jour de la planète à 1 430 degrés Fahrenheit (776 degrés Celsius). WASP-49Ab orbite tous les 2,8 jours et est encore plus chaud. La plupart des astronomes pensent que ces géantes brûlantes se sont formées plus loin de leur étoile, puis ont migré vers l’intérieur.

Cela crée des problèmes en ce qui concerne les satellites.

Les planètes se forment à partir du disque de gaz et de poussière qui entoure une étoile nouveau-née, et on pense que les lunes émergent généralement de la lie laissée par la naissance d’une planète. Les planètes géantes fusionnent plus loin dans les régions les plus froides du disque natal de leurs étoiles, où la glace et le gaz sont plus abondants ; On pense que les Jupiters chauds ont été projetés vers l’intérieur peu après leur formation. Leurs lunes se seraient vraisemblablement formées à leurs côtés. Mais le chaos qui propulse les Jupiters chauds vers l’intérieur supprimerait très probablement leurs satellites, selon David Kipping, un astronome chasseur d’exomoons à l’Université de Columbia.

“Nous pouvons imaginer de nombreuses façons plausibles de perdre une lune”, explique Kipping. “C’est difficile de s’y accrocher.”

René Heller, chercheur d’exomoon et chercheur à l’Institut Max Planck de recherche sur le système solaire à Göttingen, en Allemagne, est moins sceptique sur ce point. Il soutient qu’une migration intérieure moins extrême s’est probablement également produite autour de notre propre soleil et que Jupiter et Saturne ont réussi à emmener leurs plus grandes lunes avec eux. “Notre système solaire sert d’exemple pour déplacer les objets vers l’intérieur et emporter leurs lunes avec eux”, explique Heller.

Heller est plus préoccupé par la distance à laquelle la lune devrait orbiter autour de WASP-39b pour éviter d’être enlevée par l’étoile. Selon les analyses d’Oza, l’orbe en éruption devrait se trouver dans un rayon planétaire de WASP-39b, effleurant pratiquement les sommets des nuages ​​de la planète. C’est une ligne fine à parcourir sans s’écraser sur le géant ni virer au soleil.

“Je pense que c’est très peu plausible”, dit Heller. “La stabilité est un critère difficile.”

Heller et Kipping soulèvent également des inquiétudes quant à la falsifiabilité et à la nécessité de tester les prédictions. Les interactions planète-étoile, soutiennent-ils chacun indépendamment, pourraient être interprétées à tort comme une activité lunaire. L’activité stellaire pourrait affecter le nuage de gaz, provoquant un comportement épisodique qui pourrait imiter des éruptions. Heller évoque des « inconnues inconnues », notant que la proximité de la planète avec son étoile pourrait donner lieu à des sources de signaux que les scientifiques n’ont pas encore découvertes.

“Je pense qu’il est douteux que nous comprenions suffisamment les étoiles pour affirmer avec certitude que toute variabilité que nous observons, en particulier spectroscopiquement, ne peut pas être le résultat d’un processus se produisant à la surface de l’étoile elle-même”, déclare Kipping.

L’un des inconvénients du modèle d’Oza, note Kipping, est que toute fluctuation des niveaux de dioxyde de soufre, de sodium et de potassium observée sur WASP-39b peut être facilement expliquée par la variabilité des éruptions.

« Lorsque votre hypothèse peut tout expliquer, il devient très difficile de la réfuter », dit-il.

Heller exprime des préoccupations similaires quant à la manière de déterminer clairement si la matière provient d’une lune plutôt que d’une planète ou d’une autre source. Mais pour Retherford, l’origine semble assez simple.

«C’est plus un défi pour moi d’imaginer le sodium, le potassium et le dioxyde de soufre dans les parties supérieures de l’atmosphère de la géante gazeuse», dit-il.

La couche atmosphérique la plus externe des géantes gazeuses du système solaire est généralement remplie d’éléments légers tels que l’hydrogène et l’hélium. Les matériaux plus lourds coulent plus bas et seraient plus difficiles à enlever. Cela serait probablement également vrai pour les Jupiters chauds, mais la certitude concernant de tels arcanes est insaisissable pour ces mondes lointains.

Même en gardant cela à l’esprit, Retherford affirme que l’explication de l’exomoon fournit « une explication beaucoup plus simple » pour les observations du gaz.

Prochaines étapes

Que faudrait-il finalement pour convaincre Heller, Kipping et d’autres sceptiques ?

“Je suppose que nous aurions besoin d’une méthode complémentaire”, dit Heller, “une méthode indépendante pour prouver vos prédictions.”

Une option consiste à capitaliser davantage sur le fait que WASP-39b transite par son étoile vue de la Terre. Une lune suffisamment lourde pourrait, par exemple, tirer suffisamment sur la planète pour modifier subtilement le calendrier de ces transits, permettant potentiellement aux astronomes vigilants de déduire sa présence.

Kipping souligne cependant que depuis près d’une décennie et demie, les astronomes ont déjà accordé leur attention à WASP-39b et que de nombreux transits ont été capturés. Il est possible, dit-il, que le signal de transit de la nouvelle lune soit encore caché dans les données existantes. Mais Oza soupçonne qu’un tel signal serait trop petit pour être détecté.

“Cette technique est extrêmement sensible à la masse de la lune, qui pourrait être plus petite que notre propre lune ou Io”, dit-il.

Pendant ce temps, dit Oza, les mesures d’Unni sur la vitesse du nuage autour de WASP-49Ab fournissent un solide soutien à l’existence d’une lune à cet endroit.

“Avoir cette dimension supplémentaire des décalages Doppler renforce définitivement l’analyse”, déclare Kipping.

Oza espère obtenir des mesures similaires de WASP-39b dans un avenir proche.

“C’est un signal vraiment intrigant qui nécessite une explication, et une exomoon peut l’expliquer”, explique Kipping. “Je pense que nous devrions poursuivre dans cette voie.”