Pour les astrobiologues, la recherche de la vie au-delà de notre système solaire pourrait être comparée à l'endroit où l'on aurait l'air dans un vaste désert – essentiellement, où il y a de l'eau. Et il s'avère que l'un des types d'exoplanet les plus courants observés dans les systèmes planétaires au-delà de la nôtre a une taille et une masse qui indiquent un intérieur riche en eau. Ils sont classés comme des «sub-neptunes» car leur taille et leur masse sont entre celles de la Terre et de Neptune.
Mais parce que ces types d'exoplanètes ont tendance à être beaucoup plus proches de leur étoile hôte que la Terre du soleil, les sous-neptunes sont trop chauds pour avoir de l'eau liquide à leur surface et de la vie de soutien. Au lieu de cela, ils auraient des atmosphères en vapeur, sur des couches d'une phase exotique d'eau qui se comporte comme ni le gaz ni le liquide. Étant donné que l'existence de ces «mondes à vapeur» a été prévu pour la première fois il y a 20 ans, l'intérêt pour leur maquillage et leur évolution exacts se sont développés.
Maintenant, les astrobiologues et les astronomes de l'Université de Californie à Santa Cruz ont développé un moyen plus précis de modéliser ces mondes à vapeur pour aider à mieux comprendre leur composition et, finalement, comment ils se sont formés en premier lieu. « Lorsque nous comprenons comment les planètes les plus couramment observées sous la forme de l'univers, nous pouvons déplacer notre objectif vers des exoplanètes moins courants qui pourraient réellement être habitables », a déclaré Artem Aguichine, chercheur postdoctoral à UC Santa Cruz qui a dirigé le développement du nouveau modèle.
Les travaux sont expliqués dans un article publié le 24 juillet Le journal astrophysique et est co-écrit par le professeur Natalie Batalha, chef de l'initiative astrobiologie de l'UC Santa Cruz, avec le professeur Jonathan Fortney, président du département d'astronomie et d'astrophysique de l'université.
Plus que des lunes glacées
Pour la première fois dans l'histoire, le télescope spatial James Webb (JWST) a confirmé la présence de vapeur sur une poignée de sous-neptunes. Les astronomes s'attendent à ce que JWST observe des dizaines de plus, c'est pourquoi de tels modèles sont essentiels pour connecter ce que nous voyons de la surface de l'exoplanet à ce qui est à l'intérieur d'eux.
Les modèles historiquement utilisés pour caractériser les sous-neptunes ont été développés pour étudier les lunes glacées dans notre système solaire, telles que la lune Europa de Jupiter et la lune de Saturne. Aguichine dit que des modèles sophistiqués peuvent aider à interpréter les télescopes spatiaux comme JWST révèlent sur les sous-neptunes.
Les lunes glacées sont de petits corps condensés avec des structures en couches: croûtes glacées sur les océans d'eau liquide. Les sub-neptunes sont très différents. Ils sont beaucoup plus massifs – 10 à 100 fois plus – et, encore une fois, ils se sont bien plus proches de leurs étoiles. Ils n'ont donc pas de croûtes glacées et de océans liquides comme Europa ou Encelade. Au lieu de cela, ils développent des atmosphères à vapeur épaisses et des couches de «l'eau supercritique».
Cette phase exotique et supercritique de l'eau a été recréée et étudiée dans des laboratoires sur Terre, présentant un comportement beaucoup plus complexe que l'eau liquide simple ou la glace, ce qui rend difficile la modélisation avec précision. Certains modèles suggèrent même que, dans des conditions de pression et de température extrêmes à l'intérieur des sous-neptunes, l'eau peut même se transformer en «glace superionique», une phase dans laquelle les molécules d'eau se réorganisent afin que les ions hydrogène se déplacent librement dans un réseau d'oxygène.
Cette phase a été produite en laboratoire et existait dans les intérieurs profonds d'Uranus, Neptune, et potentiellement des sous-neptunes. Ainsi, pour modéliser les sous-neptunes, les chercheurs doivent comprendre comment l'eau se comporte comme une vapeur pure, comme un liquide supercritique et dans des états extrêmes comme la glace superionique. Le modèle de cette équipe explique les données expérimentales sur la physique de l'eau dans des conditions extrêmes et fait progresser la modélisation théorique requise.
« Les intérieurs des planètes sont des« laboratoires »naturels pour l'étude des conditions difficiles à reproduire dans un laboratoire universitaire sur Terre. Ce que nous apprenons pourrait avoir des applications imprévues que nous n'avons même pas considérées. Les mondes d'eau sont particulièrement exotiques en ce sens », a expliqué Batalha. « À l'avenir, nous pouvons constater qu'un sous-ensemble de ces mondes d'eau représentent de nouvelles niches à vie dans la galaxie. »
En modélisant la distribution de l'eau dans ces exoplanètes communs, les scientifiques peuvent tracer comment l'eau – l'une des molécules les plus abondantes de l'univers – moque pendant la formation de systèmes planétaires. En effet, Aguichine a déclaré que l'eau a une gamme de propriétés fascinantes:
- C'est à la fois un acide chimique et une base, participant à l'équilibre chimique
- Il est bon pour dissoudre les sels, les sucres et les acides aminés
- Il crée des liaisons hydrogène – donnant de l'eau une viscosité plus élevée, un point d'ébullition plus élevé, une plus grande capacité à stocker la chaleur, et plus encore.
« La vie peut être comprise comme une complexité », a déclaré Aguichine, « et l'eau a un large éventail de propriétés qui permettent cette complexité. »
En regardant en arrière et en avant
Il a également souligné que leur modélisation ne se concentre pas sur les instantanés statiques de sous-neptunes, mais explique leur évolution sur des millions et des milliards d'années. Parce que les propriétés planétaires changent considérablement au fil du temps, la modélisation que l'évolution est essentielle pour des prédictions précises, a-t-il déclaré.
La modélisation sera bientôt mise à l'épreuve par des observations continues avec JWST, ainsi que avec de futures missions telles que le prochain lancement de l'agence spatiale européenne du transit planétaire et de l'oscillation (Platon) du télescope des étoiles, une mission conçue pour trouver des planètes en forme de terre dans la zone habitable de leur étoile hôte.
« Platon pourra nous dire à quel point nos modèles sont précis et dans quelle direction nous devons les affiner », a déclaré Aguichine. « Donc vraiment, nos modèles font actuellement ces prédictions pour les télescopes, tout en aidant à façonner les prochaines étapes de la recherche de la vie au-delà de la Terre. »
