Première détection directe d’ammoniac dans l’atmosphère d’un compagnon de masse planétaire

GJ 504 b : un objet particulier ?

Cette étude présente l’analyse de GJ 504 b, un compagnon de masse planétaire dont la température est d’environ 500K, en orbite autour de l’étoile GJ 504, et dont la nature est encore débattue. Lors de sa découverte en 2013 elle fut présentée comme l’exoplanète imagée la moins massive, avec une masse estimée entre 4 et 5 fois celle de Jupiter. Mais ce statut a été remis en question en raison de l’incertitude liées à la détermination de l’âge de son étoile hôte.

Des recherches plus récentes suggèrent que GJ 504 b pourrait aussi être une naine brune d’environ 20 masses joviennes, situées dans un système stellaire plus âgé. En effet, la méthode couramment utilisée pour mesurer la masse d’une planète consiste à utiliser des modèles d’évolution planétaire et dépendent ainsi de l’âge considéré pour le système. Or, dans le cas de GJ 504 b, les estimations de l’âge de l’étoile varient considérablement selon la méthode employée, rendant indispensable l’exploration d’approches alternatives pour évaluer précisément sa masse. Comme l’indique Mathilde Mâlin, première autrice de cette publication et chercheuse associée au LIRA : « Nous avons ciblé cet objet avec l’idée de déterminer si les observations du JWST (James Webb Space Telescope) pourraient mieux contraindre sa masse ».

Les observations MIRI

Ces observations s’inscrivent dans le cadre du programme de Temps d’Observation Garanti (GTO) ExoMIRI, réunissant les partenaires européens ayant contribué à la conception de l’instrument MIRI du JWST.

Le programme GTO disposait d’environ 100 heures d’observation, et une partie de ce programme a été dédiée à l’observation de systèmes exoplanétaires connues avec les coronographes de MIRI qui ont été conçus et fabriqués au LIRA, à l’Observatoire de Paris-PSL et au CEA/AIM. Les coronographes de MIRI qui fonctionnent aux longueurs d’ondes de 10,5, 11,3 et 15,5 microns, « ont d’ailleurs été optimisés pour détecter cette molécule, l’ammoniac, car elle est supposée être présente dans l’atmosphère des planètes géantes dont la température est plus faible que 800K environ », précise Mathilde Mâlin.

La Figure 1 montre les trois images obtenues par les trois coronographes de MIRI. L’étoile au centre est atténuée par le coronographe, mais cette étude démontre aussi la très grande stabilité du JWST, ce qui permet de soustraire le signal de diffraction de l’étoile encore plus efficacement.

À partir des images coronographiques de MIRI, l’équipe a mesuré l’intensité de la planète en la combinant aux observations effectuées au sol avec les télescopes VLT, LBT et Subaru, et en comparant aux valeurs attendues à partir d’un modèle d’atmosphère développé au LIRA : ExoREM. Les points rouges de la Figure 2 correspondent aux mesures de MIRI dans le spectre de la planète et montrent une diminution de son intensité à 10,.5 microns par rapport à l’intensité à 11,.3 microns. La signature spectrale est sans ambiguïté liée à l’absorption de l’ammoniac (NH3) comme prévu par les modèles.

D’autre part, les observations de MIRI permettent de réduire d’un facteur 3 les incertitudes sur les paramètres de la planète comme le rayon et la température. Cette détection est particulièrement intéressante car l’abondance du NH3 dépend de la gravité de surface de la planète, directement liée à sa masse et son rayon, ce qui en fait un nouvel indicateur potentiel de la masse de l’objet.

Ces résultats ouvrent la voie aux observations spectroscopiques à moyenne résolution avec le JWST, en particulier avec le MRS de MIRI dont des observations ont eu lieu cet été. Les futures observations spectroscopiques promettent une caractérisation approfondie de l’atmosphère de GJ 504 b, et pourraient permettre d’élucider sa nature ainsi que son mécanisme de formation.