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Les atmosphères des exoterres les sauveraient de la rotation synchrone

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Une équipe de chercheurs de l'Institut canadien d'astrophysique théorique, en collaboration avec le Laboratoire de météorologie dynamique, a simulé l'effet de l'atmosphère sur la rotation des planètes. Selon eux, même une atmosphère relativement ténue, comme celle de la Terre, peut modifier la durée du jour jusqu'à faire disparaître l'alternance jour-nuit. Ce ralentissement n'est efficace que pour les planètes très proches de leur étoile mais c'est le cas de la plupart des exoplanètes potentiellement habitables dans la galaxie. Contrairement à ce que l'on pensait, la majorité des exoplanètes habitables pourrait donc connaître une alternance jour-nuit comme la Terre.

Interview : qu'est-ce qu'une exoplanète ?  La question des exoplanètes est très ancienne en astronomie. Leur existence est pour la première fois attestée de façon indirecte dans les années 1990. Futura-Sciences a rencontré Jean-Pierre Luminet, astrophysicien de renom, afin qu’il nous parle plus en détail de ce passionnant sujet. 

Si la Lune nous montre toujours la même face, c'est parce qu'elle ressent les marées exercées par la Terre qui jouent le rôle d'une friction qui ralentit sa rotation sur elle-même. Ce phénomène s'arrête quand le temps que met le satellite pour faire un tour sur lui-même est égal au temps mis pour parcourir son orbite autour de la planète. Comme la Lune, la plupart des satellites naturels du Système solaire sont dans cet état appelé « rotation synchrone ». Plus généralement, il en va de même des planètes autour de leur étoile, lorsqu'elles en sont proches. Or, la majorité des étoiles sont beaucoup moins lumineuses que le Soleil et de fait, pour être habitables, les exoplanètes qui gravitent autour de doivent en être plus proches (ce qui n'est pas le cas de la Terre). Elles subissent donc cet important effet de marée qui rend leur rotation synchrone.

Ainsi pensait-on que la majorité des exoplanètes ne pouvaient pas connaître d'alternance jour-nuit comme la Terre. Le climat d'un grand nombre d'exoplanètes possédant potentiellement des océans devait donc être affecté en conséquence. En effet, il y aurait un côté de nuit permanente où l'eau présente sur la planète pourrait rester piégée sous forme de glace. La présente étude montre que dans le cas des planètes telluriques, il existe un effet très important de l'atmosphère sur la rotation de celles-ci, qui contrecarre l'effet de marée et induit donc la possibilité d'un cycle diurne comme sur Terre.

Vénus, une planète qui a échappé à la rotation synchrone

Un indice de cet effet nous était donné avec l'exemple de Vénus qui à l'instar de la plupart des exoplanètes habitables se trouve proche de son étoile, et subit donc de vigoureux effets de marée, mais pourtant ne connaît pas de rotation synchrone. Cependant, les scientifiques pensaient que cet effet s'expliquait par l'atmosphère particulièrement massive de cette planète. En provoquant des différences de température (entre le jour et la nuit, entre l'équateur et les pôles), le chauffage solaire crée des vents qui redistribuent la masse de l'atmosphère de manière à ce que l'attraction gravitationnelle du Soleil puisse accélérer la rotation de cette dernière autour du globe. Grâce à cela et dans le cas de Vénus, l'atmosphère a été capable, au cours des temps géologiques, d'accélérer la rotation de la planète entière !

Représentation donnant un exemple des écarts de température à la surface d’une planète dans les cas synchrone et asynchrone. © Jérémy Leconte

Des rotations asynchrones pour les exoplanètes avec atmosphère

On pensait donc que de tels effets étaient réservés à des planètes dont l'atmosphère est particulièrement massive, or l'étude de l'équipe franco-canadienne montre en fait l'inverse : contrairement à l'idée reçue, une atmosphère plus ténue agit plus fortement sur la rotation d'une planète. La raison de cette différence est que l'atmosphère de Vénus est très opaque et qu'une grande partie de l'insolation est stoppée par un épais plafond nuageux, qui nous empêche d'ailleurs de voir sa surface. Au contraire, sur Terre, la majorité des rayons solaires atteignent la surface où leur effet sur la redistribution atmosphérique est maximal.

La grande surprise est que ces résultats montrent que si la Terre était à la position actuelle de Vénus, l'effet de son atmosphère, bien que cent fois moins massive, serait quasiment dix fois plus important. Pour y parvenir, les chercheurs ont imaginé un modèle climatique tridimensionnel capable de prédire l'effet de l'atmosphère sur la rotation d'une planète, et ce pour des atmosphères très diverses.

Ainsi, un grand nombre d'exoplanètes habitables pourraient bien suivre un cycle d'alternance jour-nuit comme la Terre, bien que subissant des effets de marée importants dus à leur proximité à leur étoile. Ces « exojournées » auraient cependant une durée plus proche du mois terrestre que de nos 24 heures. Mais cela serait suffisant pour imposer un climat plus proche de celui que connaît la Terre. Voilà qui donne un nouvel éclairage sur la question du potentiel de ces planètes à accueillir le vivant tel qu'on le connaît.

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Voir les animations illustrant les deux situations, synchrone et asynchrone. Notez que les méridiens en grisés donnent la rotation de la planète. En superposition de ceux-ci, on voit dans le cas des planètes asynchrones les flux de températures se déplacer à la surface du globe.

La sonde Pioneer Venus Orbiter a observé dans l’ultraviolet l’atmosphère de Vénus en 1979. Voici l’image qu’elle a obtenue. On pense maintenant que l’atmosphère de Vénus a empêché sa rotation propre de devenir synchrone avec sa révolution autour du Soleil. Le même phénomène permettrait aux exoplanètes douées d’atmosphère et proches des naines rouges de ne pas avoir une rotation synchrone. © Nasa