Pendant de nombreuses années, la plupart des modèles astrophysiques ont supposé que les planètes situées au-delà de notre système solaire, appelées exoplanètes, étaient chauffées à des profondeurs similaires par leurs étoiles hôtes (c’est-à-dire des étoiles comme le soleil autour desquelles se forment les systèmes planétaires). Les analyses d’observations récentes réalisées par plusieurs collaborations utilisant différents télescopes suggèrent cependant que certaines exoplanètes pourraient absorber de la chaleur beaucoup plus profondément dans leur atmosphère qu’on ne le pensait initialement. De telles exoplanètes pourraient présenter des conditions météorologiques très différentes de celles attendues par les modélisations passées.
Des chercheurs du California Institute of Technology, du Flatiron Institute et de l’Université Brandeis ont récemment réalisé une série de simulations qui ont confirmé cette hypothèse. Leur papierpublié dans le Lettres d’examen physiquesuggère que les atmosphères chaudes des exoplanètes chauffées par leurs étoiles hôtes à des profondeurs plus profondes conduisent à différents modèles météorologiques persistants.
« Nous avons été motivés à examiner ce problème par une analyse récente des données JWST pour la planète WASP-96b, qui a montré que la chaleur de son étoile hôte pourrait être absorbée beaucoup plus profondément dans l’atmosphère que nous ne le pensions auparavant », a déclaré Jack W. Skinner. , Joonas Nättilä et James YK. Cho, auteurs de l’article, a déclaré à Phys.org. « Cela nous a amené à examiner des analyses antérieures de planètes similaires et à découvrir qu’il existe également d’autres planètes chauffées de cette manière. »
L’objectif principal des travaux récents de Skinner, Nättilä et Cho était de mieux comprendre comment la profondeur de l’atmosphère à laquelle les planètes sont chauffées affecte leurs conditions météorologiques à long terme. Cela permettrait de déterminer plus précisément à quoi ressemblerait une planète lorsqu’elle serait observée à l’aide des télescopes spatiaux actuels et futurs. Cela ferait également progresser notre compréhension du climat et, à terme, de l’habitabilité des exoplanètes.
« L’emplacement et la répartition exacts du chauffage sur les exoplanètes ne sont pas bien connus à l’heure actuelle, mais les études antérieures ont généralement supposé un emplacement et une répartition uniques », ont expliqué Skinner, Nättilä et Cho. « En réalité, une image plus complète de l’atmosphère de la planète est nécessaire pour interpréter avec précision les observations. »
Dans le cadre de leur étude, les chercheurs ont effectué des centaines de simulations de superordinateur de pointe. Leurs simulations résolvent un ensemble d’équations complexes et non linéaires qui décrivent l’évolution des fluides compressibles sur une sphère en rotation. Les mêmes équations sont utilisées pour prédire le temps et le climat sur Terre et sur d’autres planètes du système solaire.
« Nous avons configuré ces simulations avec les mêmes paramètres que deux Jupiters chauds différents avec différents types de chauffage », a déclaré Skinner.
« Le chauffage est basé sur les récupérations par les télescopes spatiaux James Webb et Hubble (ce dernier n’est plus en service) de l’exoplanète chaude de Jupiter WASP-96b. La principale différence par rapport aux travaux de simulation antérieurs est que notre travail utilise un algorithme très efficace. cela permet d’effectuer nos simulations à une résolution extrêmement élevée (en fait, une résolution environ 50 fois supérieure à celle habituellement utilisée pour ces planètes) sur de puissants superordinateurs.
L’algorithme utilisé par Skinner, Nättilä et Cho améliore considérablement leurs simulations, leur permettant de capturer des structures d’écoulement à petite échelle telles que des tourbillons, des fronts et des vagues. Collectivement, ces structures de flux fournissent des informations vitales sur les conditions météorologiques qui pourraient être observées sur les exoplanètes, avec des niveaux de détail et de précision sans précédent.
« Puisque le chauffage et les structures à petite échelle qu’il génère entraînent le flux, le type de chauffage détermine le comportement des flux sur ces planètes », a déclaré Nättilä. « Nos simulations montrent que les atmosphères des Jupiters chauds sont très dynamiques et turbulentes, avec de puissantes tempêtes allant de grandes à petites tailles et intensités. Le type et le comportement de ces tempêtes dépendent de la façon dont le chauffage et le refroidissement sont redistribués sur les planètes. »
Les travaux récents de cette équipe de recherche fournissent des informations intéressantes sur les conditions météorologiques qui pourraient exister sur les planètes situées en dehors du système solaire et sur la manière dont ces conditions pourraient être affectées par la profondeur à laquelle la chaleur des étoiles hôtes est absorbée.
Les simulations effectuées dans le cadre de cette étude sont parmi les plus détaillées et les plus précises réalisées à ce jour et pourraient éclairer le développement de nouveaux modèles décrivant les atmosphères des exoplanètes chaudes.
« La modélisation et la compréhension des flux sur les exoplanètes sont essentielles, car ces flux déplacent des zones d’air chaud (et froid) (y compris des produits chimiques et des nuages) autour de la planète », a expliqué Cho. « Cela crée des points lumineux et sombres qui se déplacent autour de la planète et sont potentiellement observables par les missions de télescopes spatiaux actuelles et futures, telles que JWST et Ariel. »
Skinner, Nättilä et Cho sont enthousiasmés par les résultats qu’ils ont obtenus jusqu’à présent, car ils démontrent finalement que les atmosphères des exoplanètes sont très dynamiques et variables, un peu comme la planète Terre. En outre, leurs travaux montrent que même si les exoplanètes peuvent avoir des paramètres physiques très similaires et être situées dans des systèmes planétaires avec des étoiles hôtes similaires, de subtiles différences entre elles pourraient avoir un impact profond sur leur climat, leur météo et d’autres caractéristiques observables.
« Notre travail a ouvert de nombreuses autres questions passionnantes sur les exoplanètes et démontre que des modèles précis sont désormais indispensables pour interpréter avec précision les observations actuelles et planifier de manière optimale les observations futures », ont ajouté Skinner, Nättilä et Cho.
« Avec les prochaines missions JWST de la NASA et ARIEL de l’ESA, nos travaux montrent que nous sommes désormais en mesure de commencer à contraindre et à tester de manière réaliste les théories de la physique fondamentale et les modèles informatiques sophistiqués, ainsi qu’à progresser vers une détermination robuste des exoplanètes susceptibles d’héberger la vie. »
Plus d’information:
Jack W. Skinner et al, Cyclogenèse répétée sur les atmosphères d’exoplanètes chaudes avec chauffage en profondeur, Lettres d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.231201
© 2024 Réseau Science X