Des chercheurs du Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, en Californie, « préparent » une atmosphère extraterrestre ici même sur Terre. Dans la 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 °C (2000 XNUMX °F), équivalent à la température de la lave en fusion. L'objectif était de simuler les conditions que l'on pourrait trouver dans l'atmosphère d'un type particulier d'exoplanètes (planètes situées en dehors de notre système solaire), appelées « Jupiters chauds ».

Jupiters = géants de l'espace

Les Jupiters chauds sont des géantes gazeuses qui, contrairement aux planètes de notre système solaire, gravitent très près de leur étoile mère. Alors que la Terre tourne autour du Soleil en 365 jours, les Jupiters chauds tournent autour de leurs étoiles en moins de 10 jours. Cette courte distance des étoiles signifie que leurs températures peuvent atteindre 530 à 2 800 °C (1 000 à 5 000 °F), voire plus. À titre de comparaison, une journée chaude à la surface de Mercure (qui orbite autour du Soleil en 88 jours) atteint une température d'environ 430°C (800°F).

Murthy Gudipati, scientifique principal du JPL, qui a dirigé le groupe qui a mené la nouvelle étude publiée le mois dernier dans l'Astrophysical Journal, déclare :

"Une simulation exacte en laboratoire de l'environnement hostile de ces exoplanètes n'est pas possible, mais nous pouvons l'imiter de très près."

L’équipe a commencé avec un simple mélange chimique composé principalement d’hydrogène gazeux et de 0,3 % de monoxyde de carbone. Ces molécules sont très courantes dans l’espace et dans les premiers systèmes solaires, et pourraient donc logiquement former l’atmosphère de la chaude Jupiter. Ils ont ensuite chauffé le mélange entre 330 et 1 230 °C (620 à 2 240 °F).

Les chercheurs ont également exposé ce mélange de laboratoire à de fortes doses de rayonnement ultraviolet, semblables à celles qui pourraient affecter un Jupiter chaud en orbite près de son étoile mère. La lumière UV s’est avérée être un ingrédient efficace. Ses travaux ont été largement impliqués dans les résultats surprenants de l'étude, concernant les phénomènes chimiques pouvant avoir lieu dans les atmosphères chaudes.

Jupiters chauds

Les Jupiters chauds sont considérés comme de grandes planètes et émettent plus de lumière que les planètes plus froides. Ces facteurs ont permis aux astronomes d’obtenir plus d’informations sur leur atmosphère que sur la plupart des autres types d’exoplanètes. Les observations ont montré que de nombreuses atmosphères de Jupiters chauds sont opaques à haute altitude. Bien que l'opacité puisse être partiellement expliquée par les nuages, cette théorie perd de sa validité avec la diminution de la pression. L'opacité a été observée même là où la pression atmosphérique est très basse.

Le petit disque saphir sur l'image de droite montre les aérosols organiques créés à l'intérieur du four à haute température. Le lecteur de gauche n'a pas été utilisé. Source de l'image : NASA / JPL-Caltech

Les scientifiques ont donc cherché d'autres explications possibles, et l'une d'entre elles pourrait être les aérosols, des particules solides contenues dans l'atmosphère. Cependant, les scientifiques ne savaient pas comment des aérosols pouvaient se former dans l'atmosphère chaude de Jupiter, selon les chercheurs du JPL. Il n'a été possible de l'imiter que dans une nouvelle expérience, lorsque le mélange chimique chaud a été exposé à un rayonnement UV.

Benjamin Fleury, chercheur scientifique et auteur principal de l'étude du JPL

"Ce résultat change la façon dont nous interprétons l'atmosphère chaude et brumeuse de Jupiter. À l’avenir, nous souhaitons étudier les propriétés de ces aérosols. Nous souhaitons mieux comprendre comment ils se forment, comment ils absorbent la lumière et comment ils réagissent aux changements du milieu qui les entoure. Toutes ces informations peuvent aider les astronomes à comprendre ce qu’ils voient lorsqu’ils observent ces planètes. "

De la vapeur d'eau trouvée

L'étude a révélé une autre surprise : les réactions chimiques ont produit des quantités importantes de dioxyde de carbone et d'eau. De la vapeur d'eau a été trouvée dans les atmosphères chaudes de Jupiter, alors que les scientifiques s'attendaient à ce que cette molécule rare se forme uniquement lorsqu'il y a plus d'oxygène que de carbone. Une nouvelle étude a montré que l’eau peut se former même lorsque le carbone et l’oxygène sont présents en proportions égales. (Le monoxyde de carbone contient un atome de carbone et un atome d'oxygène.) Alors que le dioxyde de carbone (un atome de carbone et deux atomes d'oxygène) était produit même sans rayonnement UV supplémentaire, les réactions se sont accélérées avec l'ajout de la lumière des étoiles simulée.

Mark Swain, scientifique des exoplanètes du JPL et co-auteur de l'étude, déclare :

"Ces nouveaux résultats sont immédiatement utiles pour interpréter ce que nous observons dans les atmosphères chaudes de Jupiter. Nous avons supposé que dans ces atmosphères, les réactions chimiques étaient plus affectées par la température, mais il s’avère désormais que le rôle du rayonnement doit également être examiné. »

Avec des instruments de nouvelle génération comme le télescope spatial James Webb de la NASA, dont le lancement est prévu en 2021, les scientifiques pourraient créer les premiers profils chimiques détaillés des atmosphères exoplanétaires. Et il est possible que l’un des premiers soit précisément ceux qui entourent les Jupiters chauds. Ces études aideront les scientifiques à comprendre comment se forment les autres systèmes solaires et dans quelle mesure ils sont similaires ou différents du nôtre.

Pour les chercheurs du JPL, les travaux ne font que commencer. Contrairement à un four classique, le leur est hermétiquement fermé pour éviter les fuites de gaz ou la contamination, permettant aux scientifiques de contrôler sa pression à mesure que la température augmente. Grâce à cet équipement, ils peuvent désormais simuler des atmosphères exoplanétaires à des températures encore plus élevées, pouvant atteindre 1600 3000°C (XNUMX XNUMX°F).

Bryana Henderson, co-auteur de l'étude du JPL

« Concevoir et exploiter avec succès ce système constitue un défi constant. La plupart des composants standards tels que le verre ou l’aluminium fondent à des températures aussi élevées. Nous apprenons constamment à repousser les limites tout en simulant en toute sécurité ces processus chimiques en laboratoire. Mais en fin de compte, les résultats passionnants que nous apportent les expériences valent tout le travail et les efforts supplémentaires. »