Recréer des atmosphères extraterrestres ici sur Terre
Des chercheurs du laboratoire Jet Propulsion de la NASA à Pasadena, en Californie, préparent une atmosphère extraterrestre ici même sur Terre.
Reproduire l’atmosphère des Jupiters chaudes sur Terre
Dans une nouvelle étude, les scientifiques du JPL ont utilisé un « four » à haute température pour chauffer un mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone à plus de 1 100 Celsius, soit environ la température de la lave en fusion.
L’objectif est de simuler les conditions susceptibles d’être rencontrées dans les atmosphères d’une classe spéciale d’exoplanètes, appelées « Jupiters chaudes« . Les Jupiters chauds sont des géantes gazeuses qui gravitent autour de leur étoile mère, contrairement à aucune des planètes de notre système solaire. Alors que la Terre met 365 jours pour tourner autour du Soleil, les Jupiters en orbite autour de leurs étoiles le font en moins de 10 jours.
Leur proximité avec une étoile signifie que leur température peut varier de 530 à 2 800 degrés Celsius. En comparaison, une journée chaude à la surface de Mercure (qui met 88 jours à tourner autour du Soleil) atteint environ 430 degrés Celsius.
« Bien qu’il soit impossible de simuler exactement en laboratoire les environnements de ces exoplanètes, nous pouvons nous en approcher de très près », a déclaré le scientifique principal du JPL, Murthy Gudipati, qui dirige le groupe qui a mené cette nouvelle étude, publiée le mois dernier dans l’Astrophysical Journal.
L’équipe a commencé avec un simple mélange chimique composé essentiellement d’hydrogène et de 0,3% de monoxyde de carbone. Ces molécules sont extrêmement courantes dans l’Univers et dans les premiers systèmes solaires et elles pourraient raisonnablement composer l’atmosphère d’une Jupiter chaude. Ensuite, l’équipe a chauffé le mélange entre 620 et 2 240 degrés Fahrenheit (330 et 1 230 degrés Celsius).
De fortes doses de rayons ultraviolets
L’équipe a également exposé leur atmosphère de laboratoire à une forte dose de rayons ultraviolets, un phénomène similaire à celui qu’aurait une Jupiter chaude en orbite proche de son étoile mère. La lumière UV s’est avérée être un ingrédient puissant. Elle était en grande partie responsable de certains des résultats les plus surprenants de cette étude sur la chimie qui pourrait avoir lieu dans ces atmosphères extraterrestres.
Les Jupiters chaudes sont très grandes par rapport à la Terre et elles émettent plus de lumière que les planètes plus froides. Ces facteurs ont permis aux astronomes de collecter plus d’informations sur leur atmosphère que la plupart des autres types d’exoplanètes.
Ces observations révèlent que de nombreuses atmosphères de Jupiters chaudes sont opaques à haute altitude. Bien que les nuages puissent expliquer l’opacité, ils deviennent de moins en moins durables à mesure que la pression diminue, et l’opacité a été observée lorsque la pression atmosphérique était très basse.
Les scientifiques ont recherché d’autres explications que les nuages, et les aérosols, des particules solides en suspension dans l’atmosphère, pourraient en faire partie. Cependant, selon les chercheurs du JPL, les scientifiques ne savent pas la manière dont ces aérosols pourraient se développer dans les atmosphères chaudes des Jupiters. Dans la nouvelle expérience, l’ajout de rayons ultraviolets au mélange chimique a fait reproduit ces aérosols.
« Ce résultat modifie la façon dont nous interprétons ces atmosphères brumeuses des Jupiters chaudes », a déclaré Benjamin Fleury, chercheur au JPL et auteur principal de cette étude. « À l’avenir, nous voulons étudier les propriétés de ces aérosols car nous voulons mieux comprendre comment ils se forment, comment ils absorbent la lumière et comment ils réagissent aux changements de l’environnement. Toute cette information peut aider les astronomes à comprendre ce qu’ils voient lorsqu’ils observent ces exoplanètes. »
Les réactions chimiques ont produit du dioxyde de carbone et de l’eau
Cette étude a offert une autre surprise: les réactions chimiques ont produit des quantités importantes de dioxyde de carbone et d’eau. Bien que de la vapeur d’eau ait été trouvée dans les atmosphères chaudes des Jupiters, les scientifiques s’attendaient à ce que cette précieuse molécule ne se forme que lorsqu’il y avait plus d’oxygène que de carbone.
Cette nouvelle étude montre que l’eau peut se former lorsque le carbone et l’oxygène sont présents en quantités égales. Et tandis que du dioxyde de carbone (un atome de carbone et deux atomes d’oxygène) se formait sans addition de rayons UV, les réactions s’accéléraient avec l’ajout de lumière simulée.
« Ces nouveaux résultats sont utiles pour interpréter ce que nous voyons dans les atmosphères des Jupiters chaudes », a déclaré le scientifique coauteur de l’étude, Mark Swain, spécialiste de l’exoplanète JPL. « Nous avions supposé que la température dominait la chimie dans ces atmosphères, mais cela montre que nous devrons examiner le rôle que joue le rayonnement lumineux. »
Établir les premiers profils chimiques détaillés des atmosphères des exoplanètes
Avec des outils de nouvelle génération tels que le télescope spatial James Webb de la NASA, dont le lancement est prévu pour 2021, les scientifiques pourraient établir les premiers profils chimiques détaillés des atmosphères des exoplanètes. Il est également possible que certains de ces premiers sujets soient des Jupiter chaudes. Ces études aideront les scientifiques à comprendre comment se forment les autres systèmes solaires et en quoi ils sont semblables ou différents de la nôtre.
Pour les chercheurs du JPL, le travail ne fait que commencer. Contrairement à un four ordinaire, leurs gaz sont enfermés hermétiquement pour éviter les fuites ou la contamination, et permettent aux chercheurs de contrôler la pression du gaz lorsque la température augmente. Avec ce matériel, ils peuvent désormais simuler des atmosphères d’exoplanètes à des températures encore plus élevées: près de 1 600 degrés Celsius.
Les résultats valent tous ces efforts
« Le défi est de trouver comment concevoir et utiliser ce système avec succès, car la plupart des composants standard tels que le verre ou l’aluminium fondent à ces températures », a déclaré le chercheur du JPL, Bryana Henderson, coauteur de l’étude. « Nous continuons à apprendre comment repousser ces limites tout en manipulant en toute sécurité ces processus chimiques en laboratoire. Mais à la fin d’une journée, les résultats obtenus grâce à ces expériences valent tous ces efforts. »
Source : NASA
Crédit photo : Pixabay