En 2021, L'observatoire de nouvelle génération de la NASA, le télescope spatial James Webb (JWST), prendra dans l'espace. Une fois opérationnel, cette mission phare reprendra là où d'autres télescopes spatiaux, comme Hubble, Kepler et Spitzer — laissés de côté. Cela signifie qu'en plus d'enquêter sur certains des plus grands mystères cosmiques, il recherchera également des exoplanètes potentiellement habitables et tentera de caractériser leurs atmosphères.

Cela fait partie de ce qui distingue le JWST de ses prédécesseurs. Entre sa haute sensibilité et ses capacités d'imagerie infrarouge, il pourra recueillir des données sur les atmosphères des exoplanètes comme jamais auparavant. Cependant, comme l'a récemment montré une étude financée par la NASA, les planètes qui ont des atmosphères denses peuvent également avoir une couverture nuageuse étendue, ce qui pourrait compliquer les tentatives de collecte de certaines des données les plus importantes de toutes.

Pendant des années, les astronomes ont utilisé la photométrie de transit (AKA la méthode de transit) pour détecter les exoplanètes en surveillant les étoiles distantes pour détecter les baisses de luminosité. Cette méthode s'est également avérée utile pour déterminer la composition atmosphérique de certaines planètes. Comme ces corps passent devant leurs étoiles, la lumière traverse l'atmosphère de la planète, dont les spectres sont ensuite analysés pour voir quels éléments chimiques sont présents.

Jusque là, cette méthode a été utile lors de l'observation de planètes massives (géantes gazeuses et "super-Jupiters") qui orbitent leurs soleils à de grandes distances. Cependant, observer plus petit, planètes rocheuses (c'est-à-dire planètes « semblables à la Terre ») qui orbitent plus près de leurs soleils, qui les placerait dans la zone habitable de l'étoile, a été au-delà des capacités des télescopes spatiaux.

Pour cette raison, la communauté astronomique attend avec impatience les télescopes de nouvelle génération comme le JWST. En examinant les spectres de la lumière traversant l'atmosphère d'une planète rocheuse (une méthode connue sous le nom de spectroscopie de transmission), les scientifiques seront en mesure de rechercher les indicateurs révélateurs de l'oxygène gazeux, gaz carbonique, méthane, et d'autres signes associés à la vie (AKA « biosignatures »).

Un autre élément essentiel à la vie telle que nous la connaissons est l'eau, les signatures de vapeur d'eau dans l'atmosphère d'une planète sont donc une cible de choix pour les futurs relevés. Mais dans une nouvelle étude dirigée par Thaddeus Komacek, un boursier postdoctoral au Département des sciences géophysiques de l'Université de Chicago, il est possible que n'importe quelle planète avec de l'eau de surface abondante ait également des nuages ​​abondants (particules de glace en condensation) dans son atmosphère.

Pour le bien de cette étude, Komacek et ses collègues ont examiné si ces nuages ​​interféreraient avec les tentatives de détection de vapeur d'eau dans l'atmosphère des exoplanètes terrestres. En raison du nombre d'exoplanètes rocheuses découvertes dans les zones habitables des étoiles de type M (naines rouges) ces dernières années, comme Proxima b, les naines rouges voisines seront un objectif majeur des futures enquêtes.

Comme Komack l'a expliqué à Universe Today par e-mail, les planètes verrouillées par les marées qui orbitent autour d'étoiles naines rouges sont bien adaptées aux études impliquant la spectroscopie de transmission - et pour un certain nombre de raisons :

"Les planètes en transit en orbite autour d'étoiles naines rouges sont des cibles plus favorables que celles en orbite autour d'étoiles semblables au soleil, car le rapport entre la taille de la planète et la taille de l'étoile est plus grand. La taille du signal en transmission s'échelonne comme le carré du rapport de la taille de la planète à la taille de l'étoile, il y a donc une augmentation significative du signal envoyé aux étoiles plus petites que la Terre.

"Une autre raison pour laquelle les planètes en orbite autour d'étoiles naines rouges sont plus favorables à l'observation est que la 'zone habitable, " ou là où on s'attend à ce qu'il y ait de l'eau liquide à la surface de la planète, est beaucoup plus proche de l'étoile… En raison de ces orbites plus rapprochées, les planètes rocheuses habitables en orbite autour d'étoiles naines rouges transiteront beaucoup plus souvent par leur étoile, ce qui permet aux observateurs de faire de nombreuses observations répétées."

Avec ça en tête, Komacek et son équipe ont utilisé deux modèles conjointement pour générer des spectres de transmission synthétiques de planètes verrouillées par les marées autour d'étoiles de type M. Le premier était ExoCAM, développé par le Dr Eric Wolf du Colorado University’s Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP), un modèle communautaire du système Terre (CESM) utilisé pour simuler le climat de la Terre, qui a été adapté pour étudier les atmosphères des exoplanètes.

En utilisant le modèle ExoCAM, ils ont simulé le climat de planètes rocheuses en orbite autour d'étoiles naines rouges. Seconde, ils ont utilisé le générateur de spectre planétaire développé par le Goddard Space Flight Center de la NASA pour simuler le spectre de transmission que le JWST détecterait à partir de leur planète simulée. Comme l'a expliqué Komacek :« Ces simulations ExoCAM ont calculé les distributions tridimensionnelles de la température, rapport de mélange de vapeur d'eau, et les particules de nuages ​​d'eau liquide et glacée. Nous avons découvert que les planètes en orbite autour d'étoiles naines rouges sont beaucoup plus nuageuses que la Terre. C'est parce que toute leur journée a un climat similaire aux tropiques de la Terre, et ainsi la vapeur d'eau s'élève facilement à de basses pressions, où il peut se condenser et former des nuages ​​qui couvrent une grande partie de la face diurne de la planète… Le PSG a donné des résultats pour la taille apparente de la planète en transmission en fonction de la longueur d'onde, avec l'incertitude. En regardant comment la taille du signal change avec la longueur d'onde, nous avons pu déterminer la taille des caractéristiques de la vapeur d'eau et les comparer au niveau d'incertitude."

Entre ces deux modèles, l'équipe a pu simuler des planètes avec et sans couverture nuageuse, et ce que le JWST serait en mesure de détecter en conséquence. Dans le cas du premier, ils ont découvert que la vapeur d'eau dans l'atmosphère de l'exoplanète serait presque certainement détectable. Ils ont également découvert que cela pouvait être fait pour des exoplanètes de la taille de la Terre en seulement 10 transits ou moins.

"[W]lorsque nous avons inclus les effets des nuages, le nombre de transits que JWST a dû observer pour détecter la vapeur d'eau a été multiplié par 10 à 100, " a déclaré Komacek. " Il existe une limite naturelle au nombre de transits que JWST peut observer pour une planète donnée, car JWST a une durée de vie nominale définie de cinq ans, et l'observation de la transmission ne peut être prise que lorsque la planète passe entre nous et son étoile hôte."

Ils ont également constaté que l'impact de la couverture nuageuse était particulièrement fort avec les planètes à rotation plus lente autour des naines rouges. Essentiellement, les planètes qui ont des périodes orbitales plus longues qu'environ 12 jours connaîtraient plus de formation de nuages ​​sur leurs côtés de jour. "Nous avons découvert que pour les planètes en orbite autour d'une étoile comme TRAPPIST-1 (la cible la plus favorable connue), JWST ne serait pas en mesure d'observer suffisamment de transits pour détecter la vapeur d'eau, " a déclaré Komacek.

Ces résultats sont similaires à ce que d'autres chercheurs ont noté, il ajouta. L'année dernière, une étude menée par des chercheurs de la NASA Goddard a montré comment la couverture nuageuse rendrait la vapeur d'eau indétectable dans l'atmosphère des planètes TRAPPIST-1. Plus tôt ce mois-ci, une autre étude soutenue par Goddard de la NASA a montré que les nuages ​​réduiraient l'amplitude de la vapeur d'eau au point que le JWST les éliminerait en tant que bruit de fond.

Mais avant de penser que ce n'est que de mauvaises nouvelles, cette étude présente quelques suggestions pour surmonter ces limitations. Par exemple, si le temps de mission est un facteur, la mission JWST peut être prolongée afin que les scientifiques aient plus de temps pour recueillir des données. Déjà, La NASA espère faire fonctionner le télescope spatial pendant 10 ans, donc une extension de mission est déjà une possibilité.

À la fois, un seuil de signal sur bruit abaissé pour la détection pourrait permettre de sélectionner plus de signaux dans les spectres (bien que cela signifierait plus de faux positifs, également). En outre, Komacek et ses collègues notent que ces résultats ne s'appliquent qu'aux caractéristiques situées sous le pont nuageux sur les exoplanètes :« Parce que la vapeur d'eau est principalement piégée sous le niveau du nuage d'eau, la forte couverture nuageuse sur les planètes en orbite autour des étoiles naines rouges rend incroyablement difficile la détection des éléments aquatiques. Surtout, on s'attend à ce que JWST soit toujours en mesure de limiter la présence de constituants atmosphériques clés comme le dioxyde de carbone et le méthane dans seulement une douzaine de transits."

Encore une fois, ces résultats sont corroborés par des recherches antérieures. L'année dernière, une étude de l'Université de Washington a examiné la détectabilité et les caractéristiques des planètes TRAPPIST-1 et a constaté que les nuages ​​ne sont pas susceptibles d'avoir un impact significatif sur la détectabilité des caractéristiques de l'oxygène et de l'ozone - deux biosignatures clés associées à la présence de la vie .

Tellement vrai, le JWST pourrait seulement avoir des difficultés à détecter la vapeur d'eau dans les atmosphères des exoplanètes, au moins lorsqu'il s'agit d'une couverture nuageuse dense. Le JWST ne devrait avoir aucune difficulté à détecter d'autres biosignatures, nuages ​​ou pas de nuages. De grandes choses sont attendues de Webb, Le télescope spatial le plus puissant et le plus sophistiqué de la NASA à ce jour, et tout commencera l'année prochaine.