Sur Titan, La plus grosse lune de Saturne, il pleut régulièrement. Comme pour la Terre, ces pluies sont le résultat de l'évaporation du liquide en surface, se condensant dans le ciel, et retombant à la surface sous forme de précipitations. Sur Terre, c'est ce qu'on appelle le cycle hydrologique (ou de l'eau), qui est un élément indispensable de notre climat. Dans le cas de Titan, les mêmes étapes sont toutes là, mais c'est du méthane qui est échangé et non de l'eau.

Dans les années récentes, les scientifiques ont trouvé des preuves de modèles similaires impliquant des exoplanètes, avec tout, du métal en fusion à la pluie de lave ! Cela soulève la question de savoir à quel point les pluies peuvent être exotiques sur des mondes extraterrestres. Récemment, une équipe de chercheurs de l'Université Havard a mené une étude dans laquelle ils ont recherché comment la pluie différerait dans un large éventail d'environnements planétaires extrasolaires.

Cette recherche a été menée par Kaitlyn Loftus, un doctorat étudiant du département des sciences de la Terre et des planètes de Harvard. Son professeur superviseur (et co-auteur de l'étude) était Robin D. Wordsworth, qui dirige le groupe de recherche Wordsworth sur le climat planétaire et l'évolution atmosphérique à la faculté d'ingénierie et de sciences appliquées de Harvard (SEAS).

Les recherches sur les précipitations et les enregistrements des précipitations passées sur Terre ont beaucoup appris aux scientifiques sur la nature dynamique de son climat. Malheureusement, cette même recherche n'est pas encore possible avec les exoplanètes, ce qui empêche les scientifiques de pouvoir imposer des contraintes plus strictes sur leur habitabilité potentielle. Cependant, la connaissance de ces conditions sur Terre a aidé les scientifiques à prédire les climats planétaires Mars, et Titan.

Pour le plaisir de leur étude, Loftus et Wordsworth ont examiné comment cela pourrait également être appliqué aux exoplanètes. Comme Loftus l'a expliqué à Universe Today par e-mail :

« Un élément clé de l'habitabilité est le climat (pour tester si une planète peut supporter de l'eau de surface liquide). Un facteur majeur d'incertitude dans la compréhension du climat dans différents environnements planétaires (même, dire, la transition actuelle de la Terre moderne vers un CO plus élevé 2 niveaux) est le comportement des nuages. Les précipitations sont un moyen clé pour les nuages ​​"de mourir, « Par conséquent, comprendre le fonctionnement des précipitations peut nous aider à limiter les comportements des nuages ​​et, éventuellement, à mieux prédire le climat planétaire.

"Les précipitations aident en outre à contrôler la quantité d'eau qui reste dans l'atmosphère. Comme la vapeur d'eau est un très bon gaz à effet de serre, cet équilibre de la quantité d'eau dans une atmosphère peut également avoir un impact sur le climat... Enfin, les précipitations sont une composante essentielle du mécanisme de rétroaction négative pour stabiliser les climats planétaires (le cycle carbonate-silicate) qui sous-tend le concept de l'exoplanète « zone habitable ».

Cette connaissance sera indispensable, Loftus ajouté, lorsque les télescopes de nouvelle génération se joindront à la recherche d'exoplanètes potentiellement habitables. Dans les années à venir, les astronomes et astrobiologistes pourront réaliser des études d'imagerie directe des atmosphères des exoplanètes. La mise en place de modèles qui prédisent le comportement des nuages ​​et de la vapeur d'eau sur ces planètes contribuera grandement à mesurer leur habitabilité.

Bien qu'il soit très difficile de prédire les régimes de précipitations d'une exoplanète lointaine, un élément qui peut être facilement compris est le comportement des gouttes de pluie individuelles. Étant donné que chaque goutte de pluie qui tombe d'un nuage est régie par une combinaison de dynamique des fluides, thermodynamique, et les conditions atmosphériques, leur étude peut révéler beaucoup de choses sur le climat d'une planète.

Loftus et le professeur Wordsworth ont ensuite montré comment trois propriétés clés pouvaient être calculées sur la base de trois propriétés clés :leur forme, leur vitesse de chute, et la vitesse à laquelle ils s'évaporent. Loftus a dit :

"Les nuages ​​et les précipitations sont très dépendants de ce qui se passe à de très petites échelles (gouttes de nuages/gouttes de pluie ~ microns-millimètres), échelles moyennes (nuages, kilomètres-10s kilomètres), et à très grande échelle (bilans hydriques à l'échelle planétaire). Représenter toutes ces échelles avec précision dans un seul modèle n'est pas réalisable avec des ordinateurs modernes (ou dans un avenir prévisible). »

"Ce que nous essayons de faire, c'est d'utiliser la composante la plus simple et la mieux comprise du cycle de l'eau - les gouttes de pluie sous un nuage - pour contraindre ce qui est "important" parmi toute la complexité, " a-t-elle ajouté. Important est certainement un terme subjectif, mais dans ce cas, cela implique de suivre la quantité de vapeur d'eau atmosphérique qui deviendra finalement de l'eau à la surface, une condition essentielle à l'existence de la vie telle que nous la connaissons.

A partir de ces trois propriétés, ils ont pu obtenir une expression simple pour expliquer le comportement des gouttes de pluie à partir d'équations plus compliquées. Finalement, ils ont découvert que (dans un large éventail de conditions planétaires), seules des gouttes de pluie dans une plage de taille relativement étroite pouvaient atteindre la surface. Comme Loftus l'a indiqué, leurs recherches pourraient permettre à l'avenir d'améliorer les représentations des précipitations dans des modèles climatiques complexes :

"À l'heure actuelle, une grande partie de ce que nous comprenons sur le fonctionnement des nuages ​​et des précipitations dans un système climatique plus vaste est déterminée par ce que nous voyons (et avons vu) sur Terre. Cependant, cela laisse beaucoup d'incertitude quant à la validité de transférer de tels empirismes à des régimes où de nombreuses conditions physiques sont différentes.

"[S] donc il y a beaucoup de grands points d'interrogation entourant toutes les questions de sciences de la Terre non modernes qui dépendent de la façon dont les nuages/précipitations se comportent. Ce travail essaie de développer lentement la capacité de développer des attentes théoriques sur la façon dont les nuages ​​et les les précipitations devraient se comporter en dehors de la Terre moderne et, en fin de compte, mettre de meilleures contraintes sur ces grands points d'interrogation."

Cela sera très utile lorsque le télescope spatial James Webb sera lancé le 31 octobre, 2021. À l'aide de sa suite avancée d'instruments et de spectromètres infrarouges, le James Webb sera en mesure d'étudier les atmosphères des exoplanètes de plus petite masse qui orbitent plus près de leurs étoiles, c'est-à-dire, où les planètes rocheuses potentiellement habitables sont les plus susceptibles de résider.

Ceux-ci permettront aux scientifiques de déterminer la composition chimique des atmosphères de ces planètes, qui peut inclure de la vapeur d'eau et d'autres « biosignatures » révélatrices. D'autres télescopes, comme le télescope extrêmement grand (ELT) de l'ESO, le télescope géant de Magellan (GMT) et le télescope spatial romain Nancy Grace pourront mener des études d'imagerie directe similaires des exoplanètes.

Ces instruments permettront des niveaux sans précédent de caractérisation des exoplanètes, ce qui est quelque chose dans lequel les études sur les exoplanètes ont fait la transition ces dernières années. Avec plus de 4000 exoplanètes confirmées disponibles pour l'étude, les astronomes ne se concentrent plus exclusivement sur la recherche de candidats prometteurs pour l'étude. A ce stade, il s'agit de déterminer lequel de ces candidats répond aux exigences de la vie !

Les résultats ont été publiés dans un article, intitulé "La physique des gouttes de pluie qui tombent dans diverses atmosphères planétaires, " qui a récemment paru en ligne et a été soumis pour publication au Journal of Geophysical Research :Planètes .