Des couches de brume dans la haute atmosphère de Titan, une lune de Saturne, photographiées par la sonde Cassini en 2005. © Nasa, JPL-Caltech, Space Science Institute

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L’atmosphère des superterres et des mini-Neptune recréée pour la première fois

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Encore un pas en avant dans la recherche d'autres mondes habitables. Des chercheurs ont recréé en laboratoire l'atmosphère des exoplanètes les plus communes de notre galaxie, les superterres et les mini-Neptune. C'est une première, qui permettra peut-être aux astronomes de percer les secrets que ces planètes garderaient bien cachées sous d'épaisses couches brumeuses.

Les prochaines générations de télescopes, comme le télescope spatial James-Webb, permettront certainement de déterminer par spectroscopie la composition atmosphérique de certaines exoplanètes, mais d'autres leur donneront encore plus de fil à retordre, car elles parviendraient à déjouer les télescopes en s'enveloppant sous un manteau de brume. Ces brumes sont des couches constituées de particules solides provenant de réactions photochimiques, induites notamment par les rayonnements ultraviolets, qui restent en suspension dans la haute atmosphère.

Les brumes modifient le rayonnement réfléchi par la planète et soustraient les couches atmosphériques inférieures à la vue des télescopes, rendant ces dernières indétectables par analyse spectrale. Elles créeraient donc des biais dans la détermination de la composition chimique des atmosphères des exoplanètes. Elles existeraient en particulier sur les superterres et les mini-Neptune, à savoir de petites planètes gazeuses avec un cœur rocheux.

Des chercheurs de l'université Johns Hopkins (JHU), dans le Maryland, États-Unis, ont voulu éclaircir cette affaire. Ils ont tenté de répondre à deux questions : des brumes photochimiques peuvent-elles se former sur ces planètes et, dans ce cas, quelle influence ont-elles sur leur habitabilité ? Faute d'avoir des superterres et des mini-Neptune à portée de main, puisqu'il n'y en a pas dans le Système solaire, Sarah Hörst et ses collègues ont créé pour la première fois en laboratoire neuf modèles atmosphériques d'exoplanètes hypothétiques, sous forme de mélanges gazeux.

Les chercheurs manipulent les échantillons d’atmosphère dans ce que l’on appelle des boîtes à gants de laboratoire placées sous azote, pour éviter une contamination par l’air ambiant. © Will Kirk, JHU

À la clé, des résultats intéressants, publiés dans Nature Astronomy : les exoplanètes type superterres ou mini-Neptune pourraient effectivement posséder des brumes produites par photochimie. Ces couches protectrices modifieraient les températures atmosphériques, par exemple en emprisonnant la chaleur, et empêcheraient certaines radiations dangereuses d'atteindre la surface de la planète. De plus, des molécules organiques contenues dans les brumes pourraient se déposer à la surface des exoplanètes. Elles pourraient donc favoriser l'apparition de la vie.

Neuf exoplanètes hypothétiques modélisées par des mélanges gazeux

Les chercheurs ont simulé les atmosphères de superterres et de mini-Neptune, car les brumes auraient un rôle important sur les exoplanètes de ce type, où la température est inférieure à 1.000 K et où la métallicité est élevée, c'est-à-dire que la planète est constituée majoritairement d'éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium.

Pour établir des compositions chimiques de mélanges gazeux pouvant refléter l'atmosphère des exoplanètes, ils se sont servi d'une modélisation informatique. L'ordinateur leur a proposé neuf mélanges gazeux couvrant des températures allant de 300 à 600 K et de métallicité 100, 1.000 ou 10.000 fois plus élevée que le Soleil (essentiellement composé d'hydrogène et d'hélium), pour autant de planètes potentielles.

Les chercheurs ont créé ces mélanges, les ont chauffés dans des enceintes et les ont soumis à des décharges de plasma, constituant une source d'énergie, durant trois jours, afin d'initier des réactions chimiques« L'énergie casse les molécules de départ. Celles-ci réagissent entre elles pour former de nouvelles choses et parfois il s'agit de particules solides (créant de la brume) et parfois non » explique Sarah Hörst dans un communiqué du JHU.

La chercheuse Sarah Hörst vérifie grâce à une lampe s’il y la formation de brume dans l’enceinte où se déroule l’expérience. © Will Kirk/JHU

Dans tous les modèles testés, les chercheurs ont observé une production de particules par photochimie, autrement dit de brume. Si dans certains cas le taux de formation de brume était très faible, l'expérience était particulièrement probante pour les atmosphères riches en eau et en méthane (de métallicité 1.000 fois supérieure à la métallicité solaire) chauffées à 300 et 400 K, avec environ 10 mg de particules formées par heure.

D'après les chercheurs, ces simulations révèlent quels types d'atmosphères sont susceptibles de posséder des brumes photochimiques. Cette connaissance pourrait préciser l'analyse spectrale des atmosphères des exoplanètes et aider à déterminer des traces de vie. Ils envisagent de reproduire l'expérience sur d'autres compositions chimiques, tout en modifiant la température et les sources d'énergie. Ils souhaitent également analyser la composition des brumes produites, ainsi que la couleur et la taille des particules, car ces paramètres influent sur le rayonnement réfléchi.

  • Avec différents mélanges gazeux, des chercheurs ont modélisé la composition atmosphérique de neuf exoplanètes hypothétiques de type superterres et mini-Neptune.
  • En soumettant ces mélanges à des décharges de plasma pour initier des réactions chimiques, les chercheurs ont observé la formation de brumes, comme celles que l’on trouve sur Titan et Pluton.
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