Les planètes géantes de notre système solaire et encerclant d'autres étoiles ont des nuages ​​exotiques qui ne ressemblent à rien sur Terre, et les géantes gazeuses en orbite près de leurs étoiles, appelées Jupiters chaudes, sont les plus extrêmes.

Une équipe d'astronomes des États-Unis, Le Canada et le Royaume-Uni ont maintenant mis au point un modèle qui prédit lequel des nombreux types de nuages ​​proposés, du saphir à la brume de méthane brumeux, à attendre sur des Jupiters chauds de températures différentes, jusqu'à des milliers de degrés Kelvin.

Étonnamment, le type de cloud le plus courant, attendu sur une large gamme de températures, doit être constitué de gouttelettes liquides ou solides de silicium et d'oxygène, comme le quartz fondu ou le sable fondu. Sur les Jupiters chauds plus froids, en dessous d'environ 950 Kelvin (1, 250 degrés Fahrenheit), les cieux sont dominés par une brume d'hydrocarbures, essentiellement le smog.

Le modèle aidera les astronomes à étudier les gaz dans les atmosphères de ces mondes étranges et lointains, puisque les nuages ​​interfèrent avec les mesures de la composition atmosphérique. Cela pourrait également aider les planétologues à comprendre les atmosphères des planètes géantes plus froides et leurs lunes, comme Jupiter et la lune Titan de Saturne dans notre propre système solaire.

"Les types de nuages ​​qui peuvent exister dans ces atmosphères chaudes sont des choses que nous ne considérons pas vraiment comme des nuages ​​dans le système solaire, " dit Pierre Gao, un boursier postdoctoral à l'Université de Californie, Berkeley, qui est le premier auteur d'un article décrivant le modèle paru le 25 mai dans la revue Astronomie de la nature . "Il y a eu des modèles qui prédisent diverses compositions, mais le but de cette étude était d'évaluer laquelle de ces compositions compte réellement et de comparer le modèle aux données disponibles dont nous disposons."

L'étude profite d'un boom au cours de la dernière décennie dans l'étude des atmosphères des exoplanètes. Bien que les exoplanètes soient trop éloignées et sombres pour être visibles, de nombreux télescopes, en particulier le télescope spatial Hubble—sont capables de se concentrer sur les étoiles et de capturer la lumière des étoiles traversant l'atmosphère des planètes lorsqu'elles passent devant leurs étoiles. Les longueurs d'onde de la lumière qui sont absorbées, révélé par des mesures spectroscopiques, dire aux astronomes quels éléments composent l'atmosphère. À ce jour, cette technique et d'autres ont trouvé ou déduit la présence d'eau, méthane, monoxyde de carbone et dioxyde de carbone, les gaz de potassium et de sodium et, dans la plus chaude des planètes, oxyde d'aluminium vaporisé, fer et titane.

Mais alors que certaines planètes semblent avoir des atmosphères claires et des caractéristiques spectroscopiques claires, beaucoup ont des nuages ​​qui bloquent complètement la lumière des étoiles qui filtre, empêchant l'étude des gaz sous les couches nuageuses supérieures. Les compositions des gaz peuvent indiquer aux astronomes comment se forment les exoplanètes et si les éléments constitutifs de la vie sont présents autour d'autres étoiles.

"Nous avons trouvé beaucoup de nuages ​​:certains types de particules, pas de molécules, mais de petites gouttelettes - qui traînent dans ces atmosphères, " dit Gao. " On ne sait pas vraiment de quoi ils sont faits, mais ils contaminent nos observations, rendant essentiellement plus difficile pour nous d'évaluer la composition et l'abondance des molécules importantes, comme l'eau et le méthane."

Nuages ​​rubis

Pour expliquer ces observations, les astronomes ont proposé de nombreux types étranges de nuages, composé d'oxydes d'aluminium, comme le corindon, l'étoffe des rubis et des saphirs; sel dissous, comme le chlorure de potassium; oxydes de silicium, ou des silicates, comme le quartz, le composant principal du sable; les sulfures de manganèse ou de zinc qui existent sous forme de roches sur Terre ; et les composés organiques d'hydrocarbures. Les nuages ​​peuvent être des aérosols liquides ou solides, dit Gao.

Gao a adapté des modèles informatiques initialement créés pour les nuages ​​​​d'eau de la Terre et ensuite étendus aux atmosphères nuageuses de planètes comme Jupiter, qui a des nuages ​​d'ammoniac et de méthane. Il a étendu le modèle encore plus loin aux températures beaucoup plus élevées observées sur les planètes géantes gazeuses chaudes - jusqu'à 2, 800 Kelvin, ou 4, 600 degrés Fahrenheit (2, 500 degrés Celsius) - et les éléments susceptibles de se condenser en nuages ​​à ces températures.

Le modèle prend en compte la façon dont les gaz de divers atomes ou molécules se condensent en gouttelettes, comment ces gouttelettes croissent ou s'évaporent et si elles sont susceptibles d'être transportées dans l'atmosphère par les vents ou les courants ascendants, ou couler à cause de la gravité.

"L'idée est que les mêmes principes physiques guident la formation de tous les types de nuages, " dit Gao, qui a également modélisé des nuages ​​d'acide sulfurique sur Vénus. "Ce que j'ai fait, c'est de prendre ce modèle et de l'apporter au reste de la galaxie, ce qui le rend capable de simuler des nuages ​​de silicate, des nuages ​​de fer et des nuages ​​de sel."

Il a ensuite comparé ses prédictions aux données disponibles sur 30 exoplanètes sur un total d'environ 70 exoplanètes en transit avec des spectres de transmission enregistrés à ce jour.

Le modèle a révélé que bon nombre des nuages ​​exotiques proposés au fil des ans sont difficiles à former car l'énergie requise pour condenser les gaz est trop élevée. Les nuages ​​de silicate se condensent facilement, cependant, et dominer sur un 1, Plage de températures de 200 degrés Kelvin :d'environ 900 à 2, 000 Kelvin. C'est une plage d'environ 2, 000 degrés Fahrenheit.

Selon le modèle, dans les atmosphères les plus chaudes, les oxydes d'aluminium et les oxydes de titane se condensent en nuages ​​de haut niveau. Dans les exoplanètes aux atmosphères plus froides, ces nuages ​​se forment plus profondément dans la planète et sont masqués par des nuages ​​de silicate plus élevés. Sur des exoplanètes encore plus froides, ces nuages ​​de silicates se forment également plus profondément dans l'atmosphère, laissant des hautes atmosphères claires. À des températures encore plus fraîches, la lumière ultraviolette de l'étoile de l'exoplanète convertit les molécules organiques comme le méthane en chaînes d'hydrocarbures extrêmement longues qui forment une brume de haut niveau semblable au smog. Ce smog peut obscurcir les nuages ​​de sel inférieurs de potassium ou de chlorure de sodium.

Pour les astronomes à la recherche d'une planète sans nuages ​​pour étudier plus facilement les gaz de l'atmosphère, Gao a suggéré de se concentrer sur les planètes entre environ 900 et 1, 400 Kelvin, ou ceux plus chauds qu'environ 2, 200 Kelvin.

"La présence de nuages ​​a déjà été mesurée dans un certain nombre d'atmosphères d'exoplanètes, mais c'est quand nous regardons collectivement un grand échantillon que nous pouvons séparer la physique et la chimie dans les atmosphères de ces mondes, " a déclaré la co-auteur Hannah Wakeford, un astrophysicien à l'Université de Bristol au Royaume-Uni « L'espèce nuageuse dominante est aussi commune que le sable – c'est essentiellement du sable – et ce sera vraiment excitant de pouvoir mesurer les signatures spectrales des nuages ​​eux-mêmes pour la première fois avec le prochain télescope spatial James Webb (JWST)."

Observations futures, tels que ceux du JWST de la NASA, lancement prévu dans quelques années, devrait pouvoir confirmer ces prédictions et peut-être faire la lumière sur les couches nuageuses cachées des planètes plus proches de chez nous. Gao a déclaré que des nuages ​​​​exotiques similaires peuvent exister à des profondeurs dans Jupiter ou Saturne où les températures sont proches de celles trouvées sur les Jupiters chauds.

"Parce qu'il y a des milliers d'exoplanètes contre un seul Jupiter, nous pouvons étudier un tas d'entre eux et voir quelle est la moyenne et comment cela se compare à Jupiter, " dit Gao.

Lui et ses collègues prévoient de tester le modèle par rapport aux données d'observation d'autres exoplanètes et aussi de naines brunes, qui sont essentiellement des planètes géantes gazeuses si massives qu'elles sont presque des étoiles. Ils, trop, avoir des nuages.

"En étudiant les atmosphères planétaires du système solaire, nous avons généralement le contexte des images. Nous n'avons pas cette chance avec les exoplanètes. Ce ne sont que des points ou des ombres, " a déclaré Jonathan Fortney de l'UC Santa Cruz. "C'est une énorme perte d'informations. Mais ce que nous devons compenser, c'est une taille d'échantillon beaucoup plus grande. Et cela nous permet de rechercher des tendances - ici, une tendance à la nébulosité - avec la température planétaire, quelque chose dont nous n'avons tout simplement pas le luxe dans notre système solaire."