Crédit :NASA/JPL-Caltech
Des chercheurs du Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, Californie, préparent une atmosphère extraterrestre ici même sur Terre. Dans une nouvelle étude, Les scientifiques du JPL ont utilisé un "four" à haute température pour chauffer un mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone à plus de 2, 000 degrés Fahrenheit (1, 100 degrés Celsius), sur la température de la lave en fusion. L'objectif était de simuler les conditions qui pourraient être trouvées dans les atmosphères d'une classe spéciale d'exoplanètes (planètes en dehors de notre système solaire) appelées « Jupiters chaudes ».
Les Jupiters chauds sont des géantes gazeuses qui orbitent très près de leur étoile mère, contrairement à toutes les planètes de notre système solaire. Alors que la Terre met 365 jours pour orbiter autour du Soleil, les Jupiters chauds orbitent autour de leurs étoiles en moins de 10 jours. Leur proximité avec une étoile signifie que leurs températures peuvent aller de 1, 000 à 5, 000 degrés Fahrenheit (530 à 2, 800 degrés Celsius) ou même plus chaud. Par comparaison, une journée chaude à la surface de Mercure (qui met 88 jours pour orbiter autour du Soleil) atteint environ 800 degrés Fahrenheit (430 degrés Celsius).
"Bien qu'il soit impossible de simuler exactement en laboratoire ces environnements exoplanètes difficiles, on peut s'approcher de très près, " a déclaré Murthy Gudipati, scientifique principale du JPL, qui dirige le groupe qui a mené la nouvelle étude, publié le mois dernier dans le Journal d'astrophysique .
L'équipe a commencé avec un simple mélange chimique composé principalement d'hydrogène gazeux et de 0,3% de monoxyde de carbone. Ces molécules sont extrêmement communes dans l'univers et dans les premiers systèmes solaires, et ils pourraient raisonnablement composer l'atmosphère d'un Jupiter chaud. Ensuite, l'équipe a chauffé le mélange entre 620 et 2, 240 degrés Fahrenheit (330 et 1, 230 degrés Celsius).
Le concept de cet artiste montre la planète KELT-9b, un exemple de "Jupiter chaud, " ou une planète géante gazeuse en orbite très proche de son étoile mère. KELT-9b est un exemple extrême de Jupiter chaud, avec des températures diurnes atteignant 7, 800 degrés Fahrenheit (4, 300 degrés Celsius). Crédit :NASA/JPL-Caltech
L'équipe a également exposé le brassin de laboratoire à une dose élevée de rayonnement ultraviolet - similaire à ce qu'un Jupiter chaud expérimenterait en orbite si près de son étoile mère. La lumière UV s'est avérée être un ingrédient puissant. Il était en grande partie responsable de certains des résultats les plus surprenants de l'étude sur la chimie qui pourrait avoir lieu dans ces atmosphères chaudes.
Les Jupiters chauds sont grands selon les normes de la planète, et elles rayonnent plus de lumière que les planètes plus froides. De tels facteurs ont permis aux astronomes de recueillir plus d'informations sur leurs atmosphères que la plupart des autres types d'exoplanètes. Ces observations révèlent que de nombreuses atmosphères chaudes de Jupiter sont opaques à haute altitude. Bien que les nuages puissent expliquer l'opacité, ils deviennent de moins en moins durables à mesure que la pression diminue, et l'opacité a été observée là où la pression atmosphérique est très faible.
Les scientifiques ont cherché des explications potentielles autres que les nuages, et les aérosols - des particules solides en suspension dans l'atmosphère - pourraient en être un. Cependant, selon les chercheurs du JPL, les scientifiques ignoraient auparavant comment les aérosols pouvaient se développer dans les atmosphères chaudes de Jupiter. Dans la nouvelle expérience, l'ajout de lumière UV au mélange chimique chaud a fait l'affaire.
Les scientifiques du JPL ont utilisé le "four" (au centre) pour chauffer un mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone et le soumettre à un rayonnement UV, généré par une lampe à décharge à hydrogène. La lampe émet à la fois de la lumière visible (la lueur rose) et de la lumière UV, qui pénètre dans le réservoir de gaz à l'intérieur du four par une fenêtre sur le côté droit. Crédit :NASA/JPL-Caltech
"Ce résultat change la façon dont nous interprétons ces atmosphères brumeuses et chaudes de Jupiter, " dit Benjamin Fleury, chercheur au JPL et auteur principal de l'étude. "En avant, nous voulons étudier les propriétés de ces aérosols. Nous voulons mieux comprendre comment ils se forment, comment ils absorbent la lumière et comment ils réagissent aux changements de l'environnement. Toutes ces informations peuvent aider les astronomes à comprendre ce qu'ils voient lorsqu'ils observent ces planètes."
L'étude a donné une autre surprise :les réactions chimiques ont produit des quantités importantes de dioxyde de carbone et d'eau. Alors que la vapeur d'eau a été trouvée dans les atmosphères chaudes de Jupiter, les scientifiques s'attendent pour la plupart à ce que cette précieuse molécule se forme uniquement lorsqu'il y a plus d'oxygène que de carbone. La nouvelle étude montre que l'eau peut se former lorsque le carbone et l'oxygène sont présents en quantités égales. (Le monoxyde de carbone contient un atome de carbone et un atome d'oxygène.) Et tandis que du dioxyde de carbone (un carbone et deux atomes d'oxygène) s'est formé sans ajout de rayonnement UV, les réactions se sont accélérées avec l'ajout de lumière stellaire simulée.
"Ces nouveaux résultats sont immédiatement utiles pour interpréter ce que nous voyons dans les atmosphères chaudes de Jupiter, " a déclaré Mark Swain, scientifique des exoplanètes du JPL, un co-auteur de l'étude. "Nous avons supposé que la température domine la chimie dans ces atmosphères, mais cela montre que nous devons examiner comment le rayonnement joue un rôle."
Le petit disque de saphir à droite montre des aérosols organiques formés à l'intérieur d'un four à haute température. Le disque de gauche n'a pas été utilisé. Crédit :NASA/JPL-Caltech
Avec des outils de nouvelle génération comme le télescope spatial James Webb de la NASA, lancement prévu en 2021, les scientifiques pourraient produire les premiers profils chimiques détaillés des atmosphères des exoplanètes, et il est possible que certains de ces premiers sujets soient des Jupiters chauds. Ces études aideront les scientifiques à comprendre comment les autres systèmes solaires se forment et à quel point ils sont similaires ou différents du nôtre.
Pour les chercheurs du JPL, le travail vient de commencer. Contrairement à un four classique, le leur scelle hermétiquement le gaz pour éviter les fuites ou la contamination, et il permet aux chercheurs de contrôler la pression du gaz lorsque la température augmente. Avec ce matériel, ils peuvent désormais simuler des atmosphères d'exoplanètes à des températures encore plus élevées :près de 3, 000 degrés Fahrenheit (1, 600 degrés Celsius).
« Ce fut un défi permanent de trouver comment concevoir et exploiter ce système avec succès, puisque la plupart des composants standard tels que le verre ou l'aluminium fondent à ces températures, " a déclaré Bryana Henderson, chercheuse au JPL, un co-auteur de l'étude. « Nous apprenons encore à repousser ces limites tout en manipulant en toute sécurité ces processus chimiques en laboratoire. Mais à la fin de la journée, les résultats passionnants qui sortent de ces expériences valent tous les efforts supplémentaires."
