Les naines ultra-froides comme TRAPPIST-1 sont les étoiles les plus nombreuses de la Voie lactée, mais leurs spectres ont longtemps été considérés comme trop complexes pour une analyse chimique précise en raison de l'empilement des bandes moléculaires. Des travaux voisins dans les archives ont déjà montré comment mesurer la métallicité et certains éléments chez de telles étoiles, ainsi que l'utilisation des isotopes pour la datation et le suivi de la nucléosynthèse. La présente étude s'inscrit dans cette lignée, mais applique pour la première fois une combinaison des bandes K et M à une étoile à zone convective complète, ce qui permet de séparer la contribution des différents isotopologues du CO.
Les observations ont été menées avec deux instruments : Keck/NIRSPEC dans la bande M (4.6–5.0 µm) et des spectres d'archive de CFHT/SPIRou dans la bande K (2.1–2.4 µm). Pour l'analyse, une grille de modèles d'atmosphères a été construite en faisant varier les profils de température, la métallicité, le rapport C/O et la teneur en isotopologues du CO. Une inférence bayésienne avec 19 paramètres libres a ajusté le modèle aux données, et la significativité de la détection de 13CO et C18O a été évaluée par comparaison de modèles avec et sans ces molécules.
Les premières valeurs pour TRAPPIST-1 ont été obtenues : métallicité [M/H] = 0.00 (+0.06/−0.06), rapport C/O = 0.60 (+0.02/−0.02), 12C/13C = 154 (+17/−16), 16O/18O = 490 (+78/−64). Le rapport carbone/oxygène s'est avéré solaire, tandis que le rapport isotopique 12C/13C est supérieur à la valeur solaire (89), ce qui est typique des étoiles anciennes. Le rapport oxygène 16O/18O est cohérent avec la valeur solaire et avec d'autres naines M. La détection de 13CO et C18O est confirmée avec une haute significativité par le facteur de Bayes.
Ce travail fournit pour la première fois une composition chimique de référence pour le système TRAPPIST-1, ce qui est crucial pour interpréter les futures mesures des atmosphères de ses planètes. Contrairement aux études voisines qui se concentraient soit sur la métallicité, soit sur des isotopes individuels, ici les deux approches sont combinées et le rapport C/O est obtenu pour la première fois pour une étoile aussi froide. Cela élargit l'échantillon de naines ultra-froides chimiquement caractérisées et permet de tester les modèles d'évolution chimique de la Galaxie sur une nouvelle classe d'objets.
Les futures observations avec ELT/METIS et d'autres instruments de nouvelle génération permettront de mesurer les rapports isotopiques chez des centaines de naines froides et directement chez les exoplanètes. Pour TRAPPIST-1, il sera particulièrement intéressant de comparer les rapports isotopiques stellaires avec ceux qui pourront être extraits des atmosphères planétaires, s'ils sont détectés. Des listes de raies de l'eau et du CO plus précises seront également nécessaires à des températures de 2000–3000 K pour lever les écarts systématiques entre les bandes.
Les résultats influenceront les recherches sur la formation des planètes, l'évolution chimique de la Galaxie et les atmosphères stellaires. Ils fournissent aussi une référence pour l'interprétation des données JWST sur le système TRAPPIST-1.
La prochaine étape est une analyse homogène des rapports isotopiques pour un grand échantillon de naines M avec des planètes connues. Il est également important de mener des observations à plus haute résolution spectrale (CRIRES+, PEPSI) pour affiner la vitesse de rotation et tester les modèles d'atmosphère.
Pour le domaine de l'évolution chimique de la Galaxie, le problème clé non résolu est la dispersion des rapports isotopiques parmi les étoiles de même âge et de même métallicité, liée à l'incertitude sur les rendements de la nucléosynthèse dans les novae et les étoiles massives. Ce travail ajoute un point pour une vieille naine de métallicité solaire, mais pour dégager des tendances systématiques, il faudra des dizaines de mesures similaires, en particulier à faible métallicité, où les modèles divergent davantage.
Cette section s'adresse à l'auteur du travail et à ses collègues. Les travaux voisins ont été trouvés par une recherche sémantique dans notre archive, et non par correspondance de mots. Nous n'évaluons pas : nous montrons le champ autour.
Ce que fait ce travail
Ce travail détermine pour la première fois la composition chimique de TRAPPIST-1 : métallicité [M/H] = 0,00, rapport C/O = 0,60, rapports isotopiques 12C/13C = 154 et 16O/18O = 490. Pour cela, on utilise des spectres à haute résolution dans les bandes K et M, avec une analyse bayésienne et la prise en compte des isotopologues de CO.
Où est sa force
C'est la première fois qu'une composition chimique de référence est établie pour le système TRAPPIST-1, incluant le rapport C/O et les rapports isotopiques, ce qui est crucial pour interpréter les atmosphères de ses planètes. La combinaison des bandes K et M a permis de séparer la contribution des différents isotopologues de CO chez une étoile à zone convective complète.
Vers où avancer
À essayer
Pourquoi cela peut compter
La composition chimique de référence de TRAPPIST-1 sert de clé pour interpréter les futures observations des atmosphères de ses planètes et permet de tester les modèles de formation et d'évolution des systèmes planétaires autour de la classe d'étoiles la plus nombreuse.
Travaux voisins dans notre archive
L'archive est vide autour de ce travail : l'analyse la plus proche n'est qu'à 0.60, contre 0,64 d'ordinaire. Il semble qu'on ait peu foré à côté.
TRAPPIST-1 est si peu lumineuse que dans la bande M, son éclat est comparable à celui de l'exoplanète β Pic b, qui a pu être observée en seulement 2.4 heures avec le VLT. Pourtant, TRAPPIST-1 possède sept planètes, alors que β Pic b n'en a qu'une.