Chiffre. 1 :Vue d'artiste de la surface en fusion d'une jeune planète rocheuse réagissant avec son atmosphère primordiale pour former de la vapeur d'eau. Crédit :Tadahiro Kimura
L'exploration récente d'exoplanètes s'est concentrée sur la découverte de planètes rocheuses tempérées comme la Terre, souvent appelées planètes habitables. La plupart des missions récentes visent des étoiles plus froides que le soleil. Ces étoiles sont connues sous le nom de naines rouges ou étoiles de type M, qui sont nombreuses dans le voisinage solaire.
Un ensoleillement modéré et une quantité adéquate d'eau de mer sont nécessaires pour qu'une planète maintienne un climat tempéré. Les modèles de formation de planètes précédents, cependant, prédisent que le taux d'occurrence de planètes satisfaisant à de telles conditions autour d'étoiles de type M est faible. De nouvelles simulations menées par Tadahiro Kimura, doctorant de l'Université de Tokyo et le professeur Masahiro Ikoma de la Division des sciences, NAOJ, se sont concentrées sur la formation d'une atmosphère riche en hydrogène à partir du disque protoplanétaire et la production d'eau via la réaction entre l'atmosphère et l'océan de magma.
Ils ont développé un nouveau modèle de formation des planètes et, ainsi, ont prédit les quantités d'eau de mer que les exoplanètes en orbite autour des étoiles de type M auraient. En conséquence, leur estimation montre que plusieurs pour cent des planètes avec des rayons semblables à la Terre et une insolation en orbite autour d'étoiles de type M ont des quantités modérées d'eau de mer. Cela suggère que la découverte de planètes à climat tempéré dans la prochaine décennie est probable. Les résultats de la recherche ont été publiés dans Nature Astronomy le 29 septembre.
Depuis la première détection en 1995, plus de 5 000 planètes en orbite autour d'étoiles autres que le soleil (exoplanètes) ont été détectées. La détection d'un si grand nombre d'exoplanètes a montré que des systèmes planétaires existent couramment dans l'univers. D'autre part, il est également devenu clair que les exoplanètes sont diverses en termes de taille, de composition, de distance par rapport à l'étoile centrale et d'insolation.
Parmi les planètes détectées jusqu'à présent, il existe de nombreuses planètes de la taille de la Terre. Que l'un d'entre eux ait un climat tempéré comme la Terre est une question de grand intérêt. L'eau est nécessaire à la vie sur Terre, mais l'eau joue également un rôle important dans le climat. On sait que le maintien des climats tempérés nécessite une quantité modérée de rayonnement stellaire ainsi qu'un océan avec une quantité modérée d'eau.
La Terre actuelle est capable de maintenir un climat chaud grâce au fonctionnement du cycle du carbone avec la tectonique des plaques et l'altération continentale; si la quantité d'eau océanique était plusieurs dizaines de fois supérieure à celle de la Terre, le cycle du carbone serait restreint, entraînant un climat extrêmement chaud ou froid.
Une idée répandue est que les océans de la Terre actuelle ont été livrés par des corps rocheux ou glacés contenant de l'eau. Des études antérieures appliquant cette idée aux exoplanètes autour d'étoiles de type M ont conduit à la prédiction que les planètes à teneur en eau modérée sont rares, suggérant que bien que les étoiles de type M soient la cible principale des futures recherches de planètes habitables, il est très peu probable que des planètes habitables soient trouvées. .
D'autre part, la production d'eau dans une atmosphère d'accumulation a été proposée comme processus alternatif d'acquisition d'eau dans des recherches antérieures du professeur Ikoma et de son collègue. Généralement, à mesure qu'une planète grandit dans un disque protoplanétaire, elle acquiert gravitationnellement du gaz du disque et forme une atmosphère composée principalement d'hydrogène.
De plus, on pense que la surface rocheuse de la planète en croissance est en fusion à cause de la chaleur des impacts célestes (voir Fig. 1); à savoir, la planète est recouverte d'un océan de magma. A cette époque, une réaction chimique entre l'hydrogène atmosphérique et les oxydes de l'océan de magma conduit à la production d'eau. Compte tenu des effets d'une telle réaction productrice d'eau, il est possible de former une planète plus riche en eau que dans les modèles théoriques classiques.
Figure 2 :Répartition des rayons orbitaux et des masses des planètes formées autour de 10 000 étoiles de type M (0,3 masse solaire). La couleur de chaque symbole représente la fraction massique de l'atmosphère primordiale de la planète. Les cases en pointillés indiquent les régions des planètes proches de la masse terrestre dans la zone habitable. Crédit :Observatoire astronomique national du Japon
La quantité de roche hydratée acquise par une planète et la quantité d'eau obtenue à partir de réactions productrices d'eau dépendent fortement du processus de formation de la planète. Dans cette étude, Tadahiro Kimura et Masahiro Ikoma ont développé un nouveau modèle de synthèse de population planétaire pour ré-estimer la fréquence des planètes aquatiques dans les systèmes extrasolaires autour des étoiles de type M.
Le modèle suit la croissance de masse et l'évolution orbitale des planètes sur la base des dernières théories de formation des planètes, et peut calculer la quantité d'eau acquise au cours du processus. En plus de l'acquisition de roches hydratées précédemment considérée, le modèle intègre également l'effet de la production d'eau dans l'atmosphère primordiale.
Des simulations numériques utilisant ce modèle montrent qu'une grande variété de planètes de différentes tailles et masses atmosphériques sont produites à divers endroits (voir Fig. 2). La teneur en eau calculée pour les planètes de la zone habitable est illustrée à la Fig. 3.
Figure 3 :Distribution de probabilité des fractions de masse d'eau de mer pour les planètes de masse semblable à la Terre (0,3 à 3 fois la masse terrestre) situées dans la zone habitable autour des étoiles de type M (0,3 masse solaire). Green est le résultat de calculs suivant le modèle conventionnel et ne considérant que l'acquisition de roches aquifères. Orange est le résultat lorsque le modèle de la présente étude est utilisé et que l'effet de la production d'eau dans l'atmosphère primordiale est pris en compte. La ligne pointillée représente la quantité d'eau de mer actuelle sur la Terre. Crédit :Observatoire astronomique national du Japon
Comme le montre la figure, les exoplanètes en orbite autour d'étoiles de type M peuvent retenir des quantités d'eau très diverses lorsque la production d'eau dans l'atmosphère primordiale fonctionne. Certaines de ces planètes se sont formées avec des quantités d'eau de mer similaires à celles de la Terre. La majeure partie de l'eau de mer sur ces planètes est amenée par la production d'eau atmosphérique. L'analyse des données informatiques a conduit à la prédiction que plusieurs pour cent des planètes avec des rayons planétaires compris entre 0,7 et 1,3 fois celui de la Terre retiennent des quantités d'eau suffisantes pour soutenir les climats tempérés (environ 0,1 à 100 fois la teneur en eau de mer de la Terre).
On s'attend à ce que près de 100 planètes de la taille de la Terre soient détectées dans la zone habitable autour des étoiles de type M dans les programmes d'exploration d'exoplanètes en cours et futurs tels que TESS et PLATO. Les résultats de cette étude prédisent que plusieurs de ces planètes seront des planètes aquatiques avec des climats chauds semblables à ceux de la Terre.
Les observations des spectres atmosphériques des exoplanètes par les télescopes spatiaux infrarouges JWST et Ariel révéleront également la présence de molécules d'eau et d'autres éléments dans l'atmosphère. Ces observations devraient valider les prédictions théoriques de cette recherche et conduire à une meilleure compréhension du processus de formation des planètes aquatiques telles que la Terre. Opinion :Les scientifiques ont peut-être découvert une planète semblable à la Terre. Laissez l'un d'entre eux vous en parler.
