Les scientifiques des exoplanètes attendent avec impatience la découverte d’une atmosphère autour d’une exoplanète terrestre. Il ne s’agit pas d’un ensemble de molécules mince, ténu et à peine perceptible, mais d’une atmosphère épaisse, robuste et potentiellement vitale. En raison de la façon dont nous détectons les exoplanètes, la plupart des planètes telluriques que nous trouvons sont en orbite autour de naines rouges (naines M).
Cela pose un problème pour trouver une atmosphère, car les naines rouges sont connues pour leurs violents éclairs. Comme les naines rouges sont si sombres, leur zone habitable est très proche d’elles. Cela signifie que les exoplanètes situées dans la zone habitable sont si proches des étoiles qu'elles sont exposées au torchage, et cela devrait détruire toutes les atmosphères que ces planètes pourraient avoir. Et sans atmosphère, les perspectives d’habitabilité sont extrêmement faibles.
Comme elles sont si proches, les exoplanètes situées dans les zones habitables des naines rouges sont également probablement verrouillées par les marées sur leurs étoiles. Cela signifie qu’un côté de la planète est constamment éclairé (côté jour) et l’autre est constamment sombre (côté nuit). Ainsi, même si le jour est extrêmement chaud, le côté nuit est très froid.
Cela pourrait conduire à une situation très inhabituelle, selon de nouvelles recherches. Il s'intitule « Effondrement atmosphérique et ré-inflation par impacts sur les planètes telluriques autour des naines M », et l'auteur principal est Prune August. August est titulaire d'un doctorat. étudiant au Département de recherche et de technologie spatiales de l’Université technique du Danemark. La recherche a été soumise à The Lettres de journaux astrophysiques et est disponible en ligne sur le arXiv serveur de préimpression.
Comme le titre l’indique clairement, les travaux concernent des exoplanètes terrestres en orbite autour de naines M. « Les atmosphères de ces planètes sont vulnérables à l'érosion atmosphérique et à l'effondrement dû à la condensation des substances volatiles sur la face nocturne », écrivent les auteurs. Ils disent que non seulement ces atmosphères sont sujettes à la destruction par torchage, mais que certaines substances volatiles gèlent et s'effondrent à la surface du côté obscur froid. « Cependant, ces substances volatiles effondrées accumulées sous forme de glace nocturne constituent un réservoir stable qui pourrait être revaporisé par les impacts de météorites et rétablir les atmosphères. »
C'est une idée inhabituelle. Si le torchage des naines rouges est le plus destructeur au début de la vie de l'étoile, alors une fois le torchage atténué, la chaleur des impacts pourrait reconstituer les substances volatiles du côté nocturne dans une nouvelle atmosphère. « Grâce à un modèle simple de bilan énergétique appliqué aux simulations d'évolution atmosphérique avec impacts stochastiques, nous évaluons la viabilité et l'importance de ce mécanisme pour les atmosphères de CO », écrivent les auteurs.
Dans leur travail, ils ont examiné les exoplanètes du programme JWST DDT Rocky Worlds, un effort d'observation visant à trouver l'atmosphère des exoplanètes en orbite autour de petites naines rouges. Dans un premier temps, ils ont effectué des simulations d’impacts aléatoires sur une exoplanète de la taille de la Terre et de la masse terrestre en orbite autour d’une naine rouge à trois distances orbitales différentes. Ils ont également donné à la planète un taux de dégazage de CO fixe identique à celui de la Terre moderne.
Dans l’ensemble, ils ont découvert que des impacteurs de taille moyenne, d’environ 10 km de diamètre, frappant une planète tous les 100 millions d’années environ, pouvaient maintenir une atmosphère détectable.
À partir de là, ils ont appliqué le modèle résultant à trois planètes de Rocky Worlds : LTT 1445 Ab, LTT 1445 Ac et GJ 3929 b. « Au lieu de nous concentrer sur un état statique et final de l'évolution, nous calculons la fraction de temps que chaque planète passe avec une atmosphère gonflée », expliquent les chercheurs. « Cette approche prend en compte la présence d'atmosphères transitoires, telles que celles générées par les impacts. »
Les chercheurs ont analysé 50 000 situations de Monte Carlo avec différents taux d'impact et émissions de CO.2 taux de dégazage. Les simulations ont commencé lorsque les planètes avaient 2,2 milliards d'années et 12 milliards d'années. Ensemble, ils ont déterminé quelle est la plage optimale de taux d’impact pour la régénération atmosphérique.
Bien entendu, notre connaissance des taux d’impact sur les exoplanètes est loin d’être certaine. « L'estimation des taux d'impact des systèmes exoplanétaires reste très incertaine, en fonction de facteurs tels que la présence et la structure des ceintures de débris et l'architecture du système planétaire », écrivent les auteurs.
Il existe de nombreuses autres incertitudes, comme l’étendue des calottes glaciaires nocturnes par rapport aux calottes polaires. Il doit y avoir beaucoup de glace et les impacteurs doivent la frapper. « Un impacteur a une probabilité plus élevée de heurter la glace des calottes glaciaires couvrant toute la nuit que celle des calottes polaires », expliquent les chercheurs.
Toutes ces incertitudes mises à part, ce travail dresse un tableau différent de celui auquel nous sommes habitués. Au lieu que les atmosphères des exoplanètes terrestres évoluent d’un état initial à un état final au cours de l’évolution, elles peuvent être transitoires. Plutôt que d’être régie uniquement par des propriétés globales, la régénération épisodique peut être à l’œuvre. « Cette vision dynamique est importante sur le plan observationnel, car elle suggère que les taux de détection peuvent refléter la persistance atmosphérique plutôt que les paramètres évolutifs », écrivent les auteurs.
Cela a certaines implications sur la façon dont nous observons les exoplanètes et recherchons les atmosphères. « Si une planète passe 1 à 10 % de son temps dans une atmosphère, nous devrions nous attendre à un taux de réussite correspondant dans sa détection », écrivent les chercheurs. L'une des trois planètes, LTT 1445 Ab, pourrait avoir une atmosphère pendant plus de 50 % du temps. Cela signifie que les atmosphères induites par l’impact constituent une « voie viable pour maintenir des atmosphères détectables autour des exoplanètes rocheuses ».
Ces résultats sont contre-intuitifs. Dans leur conclusion, les auteurs soulignent que le fait d’avoir une nuit glaciale pourrait être ce qui protège les atmosphères des exoplanètes terrestres de la destruction et du retrait par le torchage des étoiles naines rouges. L'atmosphère attend essentiellement dans un état gelé jusqu'à ce que les impacts la régénèrent.
« L'effondrement atmosphérique, bien que généralement considéré comme préjudiciable à la survie des atmosphères autour des exoplanètes rocheuses bloquées par les marées, joue un rôle protecteur pour les substances volatiles en les protégeant de la fuite atmosphérique », écrivent les auteurs dans leur conclusion.
Même si la partie nocturne peut agir comme un réservoir important de substances volatiles capables de reconstituer l’atmosphère, trop d’impacts peuvent être préjudiciables. Il existe un juste milieu pour le taux d'impact, ainsi que pour la taille de l'impacteur. Si leurs diamètres varient de 5 à 10 km, et qu'entre 1 et 100 d'entre eux heurtent une seule planète en un milliard d'années, une exoplanète rocheuse pourrait reconstituer son atmosphère.
« Selon cette métrique, les planètes rocheuses autour des naines M pourraient retenir du CO détectable.2 atmosphère pendant environ 1 à 45 % de leur vie dans des conditions plausibles », concluent les chercheurs.
