Nous avons tendance à penser à l'habitabilité en termes de planètes individuelles et de leur potentiel d'accueil de la vie. Mais à moins de valeurs aberrantes comme les planètes voyous avec du chauffage interne ou des lunes glacées avec des océans souterrains créés par le chauffage de marée, ce sont des relations d'exoplanet / étoiles qui génèrent l'habitabilité, pas des planètes individuelles. La nouvelle recherche met l'accent sur ce fait.
Les nains rouges sont connus pour leur puissant évasement stellaire, qui pourrait rendre les planètes à proximité inhabitables. Cependant, même des étoiles relativement au repos comme notre soleil créent un temps spatial. Les éruptions solaires, le vent stellaire et les éjections de masse coronale ont des effets différents sur différents types de planètes. La Terre est largement protégée de ces effets par sa magnétosphère.
Cependant, sur de longues périodes, la météo spatiale peut avoir des effets puissants sur la façon dont l'atmosphère d'un exoplanet se développe. De nouvelles recherches qui seront publiées par l'American Astronomical Society décrit ces effets sur les climats des exoplanètes verrouillés aux terrains. Il est intitulé «Effets des émissions stellaires transitoires sur les climats planétaires d'exo-terre verrouillés par la marée», et l'auteur principal est Howard Chen du Département d'aérospatial, de physique et de sciences spatiales au Florida Institute of Technology. Il est actuellement disponible sur le arxiv serveur de préimprimée.
« Les événements météorologiques spatiaux dans des environnements planétaires provenant d'émissions d'étoiles hôtes transitoires, y compris des éruptions stellaires, des éjections de masse coronale et des événements de protons stellaires, peuvent influencer considérablement l'histoire du climat et de l'évolution atmosphérique d'un exoplanet », écrivent les auteurs. « Ces événements dépendants du temps peuvent également affecter notre capacité à mesurer et à interpréter ses propriétés en modulant les réservoirs de composés chimiques clés et en modifiant la température de luminosité de l'atmosphère. »
La photochimie des atmosphères d'exoplanet est un sujet bien documenté, mais ce travail se distingue de la plupart des recherches antérieures. Il utilise des modèles de circulation générale 3D, tandis que la plupart des travaux antérieurs repose sur des modèles à colonne unique. Les modèles à colonne unique se concentrent sur la verticalité et sur la façon dont l'humidité, l'énergie et l'élan dans les colonnes affectent une atmosphère en un seul endroit. Les modèles 3D font un meilleur travail de simulation d'une atmosphère entière et incluent des effets verticaux et horizontaux. Ils intègrent des effets à grande échelle comme des flux de réaction que les modèles à colonne unique ne le font pas.
Ce travail se concentre sur les fusées éclairantes stellaires et les particules énergiques avec lesquelles ils secouent les exoplanètes. Les auteurs expliquent: « Nous examinons leurs effets sur des planètes de type trappiste-1e en rotation de manière synchrone sur une gamme d'échelles spatio-temporelles. » TRAPPIST-1E est une exoplanet rocheuse bien connue et souvent étudiée dans la zone habitable de Trappist-1, une étoile naine rouge ultracool.
Les données de la mission Kepler de la NASA montrent que l'énergie et l'amplitude des poussées stellaires ne varient pas beaucoup entre les étoiles F, G et K de type K. Cependant, la fréquence des événements évasés et leur distribution spectrale varient beaucoup en fonction du type d'étoile. Les fusées éclairantes avec la même énergie peuvent avoir des distributions spectrales différentes, ce qui signifie que certains peuvent émettre une lumière optique relativement inoffensive tandis que d'autres peuvent émettre des rayons X et des UV. La distribution spectrale est liée aux processus sous-jacents de l'étoile, comme l'activité dans la magnétosphère et la chromosphère.
Des étoiles comme Trappist-1 sont connues pour avoir des niveaux élevés de magnétosphère et de chromosphère pendant des milliards d'années, ce qui peut générer des superflares. « Cela peut affecter les environnements atmosphériques des exoplanètes proches sur de longues échelles de temps, induisant la perte d'eau via la photolyse et l'évasion d'hydrogène », écrivent les auteurs.
Les poussées génèrent des particules énergiques qui peuvent provoquer un refroidissement soudain dans la thermosphère d'une exoplanète à travers le refroidissement radiatif de l'oxyde nitrique (NO) et du dioxyde de carbone. Ces molécules sont excitées par les particules énergiques des poussées stellaires et libèrent cette énergie dans l'infrarouge, qui a un effet de refroidissement net.
Dans l'atmosphère moyenne et inférieure, des molécules comme l'eau et l'oxyde nitreux (N20) absorbent l'énergie infrarouge et ont un effet de réchauffement. Des poussées stellaires intenses peuvent avoir un effet de réchauffement puissant dans l'atmosphère moyenne, générant 40 mètres par seconde (144 km / h) de vents à la surface de l'étoile près de la ligne du terminateur.
La recherche montre que non seulement les poussées stellaires modifient la photochimie des atmosphères, mais elles peuvent également modifier les modèles de circulation. Cela peut répandre les espèces moléculaires et chauffer autour de la planète d'une manière qui n'est pas possible sans s'évaser.
« Nos techniques de modélisation et d'analyse 3D révèlent de nouvelles perspectives sur la façon dont les planètes autour des étoiles actives et évasées pourraient connaître des anomalies climatiques améliorées », écrivent les auteurs dans leur conclusion. « Nos résultats suggèrent qu'en plus d'initier des voies de réaction photochimique clés et de l'induction du déséquilibre photochimique, de grands événements stellaires pourraient affecter la dynamique atmosphérique et même modifier le régime de circulation des planètes dans les scénarios les plus extrêmes. »
Bien que de nombreuses recherches montrent que les rayons X et l'EUV à partir des étoiles peuvent avoir des effets photochimiques spectaculaires, tous les exoplanètes ne leur sont pas exposés. Pour les exoplanètes qui ne le sont pas, cette recherche montre que « … les émissions stellaires transitoires peuvent être le canal dominant à travers lequel la dynamique des atmosphères substraquaires est motivée ».
L'étude montre que les exoplanètes les plus sensibles sont les étoiles plus jeunes en orbite avec des éruptions stellaires répétées. « Nos résultats suggèrent que les événements éruptifs successifs et plus énergiques des étoiles plus jeunes peuvent être un facteur pivot pour déterminer la dynamique de l'atmosphère de leurs planètes », expliquent les chercheurs dans leur article.
« Ainsi, les atmosphères de la planète autour d'étoiles avec des événements sporadiques plutôt que consécutifs et éruptifs (qui permet plus de temps entre chaque événement pour les espèces chimiques telles que l'ozone pour récupérer photochimiquement) éprouverait probablement les plus grands degrés de variabilité. Ces candidats seront probablement situés autour d'étoiles modérément actives », concluent les auteurs.
Les effets décrits dans le document pourraient avoir des conséquences profondes pour les planètes terrestres à long terme en modifiant l'évolution thermique de leurs atmosphères. Les auteurs expliquent que leurs résultats ont des implications pour les missions à venir qui image directement des exoplanètes, car ces missions peuvent sonder les « systèmes météorologiques influencés sur le plan astrophysique sur des planètes de zone habitable ». Ces missions comprennent l'observatoire des mondes habitables proposés et le grand interféromètre pour les exoplanètes.
