Les oscillations résonantes de l'atmosphère d'une planète causées par les marées gravitationnelles et le chauffage de son étoile pourraient empêcher la rotation d'une planète de ralentir régulièrement au fil du temps, selon une nouvelle recherche de Caleb Scharf, qui est le directeur de l'astrobiologie à l'Université de Columbia. Ses découvertes suggèrent que l'effet est renforcé pour une planète dont l'atmosphère a été oxygénée par la vie, et les « marées atmosphériques » qui en résultent pourraient même agir comme une biosignature.

Les marées peuvent déformer la masse d'une planète, qui à son tour affecte sa rotation. Nous sommes plus familiers avec les marées gravitationnelles, que nous ressentons sur Terre à cause de la gravité de la Lune et du Soleil. Ces marées gravitationnelles créent des renflements lorsque la Terre tourne, et la Lune et le Soleil tirent sur ces renflements, ralentir la rotation.

Par contre, marées atmosphériques, parfois appelées marées thermiques ou solaires, se produisent lorsque la lumière du soleil chauffe la surface et l'air du côté diurne de la Terre. Ce réchauffement déplace la masse de l'atmosphère du point le plus chaud vers les points les plus froids de la planète. Comme pour les marées gravitationnelles, les marées atmosphériques provoquent des renflements qui sont vulnérables à l'attraction gravitationnelle. Ces renflements changent subtilement la forme de l'atmosphère terrestre, l'étirer d'une sphère à quelque chose de légèrement moins symétrique et plus elliptique. Scharf suggère d'imaginer une "poignée" sur Terre, et que les forces qui tirent sur la poignée atmosphérique peuvent alors aider à accélérer ou à ralentir la rotation de la planète.

Fréquences de résonance

D'habitude, les effets produits par ces forces de marée thermiques sont relativement faibles, mais les effets peuvent être augmentés dans certaines circonstances, comme dans les résonances. Ce sont des fréquences vibratoires naturelles qui décrivent le mouvement ondulatoire des ponts dans le vent, ou être poussé de plus en plus haut sur une balançoire. La redistribution atmosphérique s'amplifie lorsque le taux de rotation de la planète correspond à la fréquence naturelle de l'oscillation de l'atmosphère.

Scharf utilise une autre métaphore pour expliquer la résonance :« C'est comme jouer du violon, " il dit Revue d'Astrobiologie . "L'atmosphère est une corde de violon enroulée autour de la planète. Si vous tirez l'archet à la bonne vitesse sur la corde, vous obtenez la bonne note et le son le plus fort."

Les scientifiques pensent que la résonance s'est produite avec la Terre lorsque ses jours duraient environ 21 heures. Cette durée du jour aurait créé un pic dans le mouvement atmosphérique, ce qui signifie qu'il aurait ressenti les plus fortes marées du Soleil et de la Lune, créant une « poignée » particulièrement grande et un couple maximal. A cette résonance, l'influence d'une étoile sur l'atmosphère d'une planète est à son maximum, tout comme les effets sur la rotation de la planète. Un phénomène appelé « piégeage résonant » peut se produire lorsque les forces opposées exercées sur la poignée atmosphérique, et par les marées gravitationnelles habituelles de la planète, atteindre l'équilibre, verrouiller le taux de rotation de la planète.

Sortir du piège

Selon Scharf, la recherche suggère que la Terre peut avoir été piégée par résonance à la longueur du jour de 21 heures pendant « des centaines de millions d'années, " peut-être à l'ère précambrienne il y a plus de 500 millions d'années. Les effets du piégeage résonant sont difficiles à mesurer par eux-mêmes, mais en général Scharf note que les planètes avec des rotations plus rapides ont des équateurs plus chauds et des pôles plus froids. Être piégé par résonance peut avoir affecté le climat de la Terre, mais le plus important est le rôle du piégeage résonnant dans l'évolution du climat.

La résonance peut être (et dans le cas de la Terre aurait été nécessairement) interrompue par les fluctuations de température, comme un réchauffement rapide après un gel profond, ce qui relancerait l'augmentation de la durée du jour sur des millions d'années à mesure que la rotation d'une planète recommencerait à ralentir.

Par exemple, il est possible qu'il y a 3 à 4 milliards d'années, La Terre avait une journée de 12 heures, et qu'au fil du temps, il s'est allongé jusqu'à 24 heures. À un moment donné dans un futur lointain, un jour terrestre peut durer plus de 24 heures.

Un phénomène courant

Étant donné que la plupart des planètes subissent des marées gravitationnelles qui pourraient affecter leur rotation, Scharf pense que d'autres planètes rocheuses finiront par subir un piégeage résonnant, résultant en une durée du jour maintenue constante pendant de longues périodes.

Rory Barnes, professeur au laboratoire planétaire virtuel de la NASA de l'Université de Washington, convient que ce processus peut être généralisé.

"Alors que Scharf reproduisait les résultats passés pour la Terre, son modèle de ce phénomène compliqué est simple et élégant, " dit-il. " Cependant, il est difficile de dire avec certitude quels pourraient être les effets sur une planète spécifique, étant donné l'influence compliquante des climats, conditions atmosphériques, Taille, etc. Mais la tentative de premier ordre de Scharf pour démêler ces facteurs fournit des idées pour un raffinement supplémentaire. »

Une implication particulièrement intéressante des travaux de Scharf est la possibilité que l'activité biologique puisse également affecter la rotation d'une planète. Des molécules telles que l'ozone rendent l'atmosphère plus chaude, ce qui rend les marées thermiques plus fortes et déplace la résonance vers des durées de jour plus courtes. Si la vie sur une planète produit de l'oxygène, la planète accumulerait de l'ozone qui favorise le piégeage résonnant plus tôt dans l'histoire d'une planète. De telles possibilités « dépendent toutes de la séquence des événements, " dit Scharf. Si la Terre était en pleine résonance, les augmentations d'ozone pourraient le briser; si la Terre avait déjà connu la résonance, il pourrait entrer à nouveau dans cet état.

Un retour positif pour la vie ?

La question à un million de dollars est de savoir si les altérations rotationnelles produites par l'oxygénation ou l'ozone seraient propices à la vie. S'agit-il d'un processus de rétroaction positive qui aide la vie à influencer son environnement planétaire de manière à favoriser la propagation de cette vie ? Scharf dit qu'il est trop tôt pour dire avec certitude, mais si l'activité biologique peut aider à verrouiller l'état de résonance, la présence de la vie pourrait générer une boucle de rétroaction.

Si les scientifiques pouvaient obtenir plus de données sur l'évolution de la rotation de la Terre au cours des quatre derniers milliards d'années, ils pourraient "le comparer à nos données sur l'oxygénation atmosphérique et rechercher des corrélations qui pourraient suggérer les effets de l'oxygénation sur le piégeage résonant - ce qui serait assez stupéfiant, mais tout à fait possible, " dit Scharf. Barnes est d'accord, qualifiant cela d'"idée provocatrice qui mérite une étude plus approfondie".

Une autre idée pour un examen futur est de savoir si les taux de rotation planétaire pourraient fournir un soutien circonstanciel à l'habitabilité potentielle d'une planète.

"Détecter les taux de rotation des planètes est incroyablement difficile, " dit Scharf, "mais étant donné les progrès des sciences exoplanétaires, il y a peut-être un moyen de le faire."

Même si les scientifiques pouvaient comprendre comment mesurer le taux de rotation des planètes rocheuses, Scharf doute qu'ils trouvent une « arme fumante » qui soit causalement liée à la présence de la vie biologique. Cependant, Les calculs du taux de rotation pourraient être l'un des nombreux outils utilisés par les astrobiologistes pour rechercher des planètes qui abritent la vie. Barnes aimerait voir "une expérience qui isole le rôle de la biologie sur le taux de rotation et l'habitabilité potentielle d'une planète, " mais en attendant, il ajoutera des observations de taux de rotation à sa liste de contrôle extraterrestre.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du magazine Astrobiology de la NASA. Explorez la Terre et au-delà sur www.astrobio.net .