Une équipe internationale, comprenant des astrophysiciens de l'Université d'Exeter, tire des leçons et des techniques tirées de la science du climat terrestre pour ouvrir la voie à une modélisation robuste des atmosphères de planètes en orbite autour d'étoiles lointaines, aidant à la recherche d'exoplanètes potentiellement habitables.

Fondamentalement, l'équipe pense que cette recherche peut également améliorer notre compréhension fondamentale et nos prévisions du climat futur sur Terre.

Le télescope spatial James Webb (JWST) lancé récemment et des télescopes à venir tels que le télescope européen extrêmement grand (E-ELT), le télescope de trente mètres (TMT) ou le télescope géant de Magellan (GMT) pourraient bientôt être en mesure de caractériser les atmosphères de exoplanètes rocheuses en orbite autour de naines rouges proches (étoiles plus froides et plus petites que notre propre soleil). Cependant, sans modèles robustes pour interpréter et guider ces observations, nous ne pourrons pas libérer tout le potentiel de ces observatoires.

Une méthode consiste à utiliser des modèles de circulation générale tridimensionnels (GCM) - similaires à ceux utilisés pour prédire le climat de la Terre, pour simuler les caractéristiques atmosphériques lorsque les planètes tournent autour de leurs étoiles hôtes. Cependant, des différences intrinsèques existent au sein de ces MCG complexes qui conduisent à des prévisions climatiques contrastées et, par conséquent, à notre interprétation des observations d'exoplanètes.

Ces dernières années, les scientifiques ont affiné les MCG dans le but de reproduire et de comprendre la tendance actuelle au réchauffement associée au changement climatique anthropique sur Terre. Une approche clé consiste à modéliser le climat avec plusieurs GCM et à les comparer via des projets d'intercomparaison de modèles, ou MIP, qui ont été fondamentaux pour notre connaissance du climat de la Terre.

L'équipe, dirigée par trois chercheurs en début de carrière - Thomas Fauchez (NASA GSFC, Université américaine, États-Unis), Denis Sergeev (Université d'Exeter, Royaume-Uni) et Martin Turbet (LMD, France) - a utilisé cette expertise et les mises à niveau récentes du modèle pour entreprendre une comparaison complète de plusieurs des principaux GCM mondiaux en les appliquant à l'étude des exoplanètes.

Le Dr Sergeev, chercheur postdoctoral à l'Université d'Exeter, a déclaré :« Les comparaisons multi-modèles sont l'un des piliers de la science climatique moderne et une réussite de la collaboration internationale. Elles jouent un rôle déterminant dans notre compréhension des processus climatiques passés, présents et futurs. En intégrant ces comparaisons dans la recherche sur les exoplanètes, nous pouvons finalement améliorer notre capacité à interpréter les observations des télescopes."

Le nouveau projet pivot, appelé THAI (TRAPPIST-1 Habitable Atmosphere Intercomparison) se concentre sur une exoplanète confirmée, de la taille de la Terre, appelée TRAPPIST-1e. C'est la quatrième planète à partir de son étoile hôte, une naine rouge TRAPPIST-1 située à environ 40 années-lumière de la Terre. Surtout, comme l'orbite de la planète se situe dans la zone habitable de TRAPPIST-1, elle peut avoir un climat tempéré propice à l'existence d'eau liquide à sa surface.

Les projets combinent quatre modèles largement utilisés :ExoCAM (basé sur le modèle du National Center for Atmospheric Research des États-Unis), LMD-G (développé par le Laboratoire de Météorologie Dynamique à Paris), ROCKE-3D (basé sur le modèle NASA GISS ) et l'UM (développé au Met Office du Royaume-Uni et adapté aux exoplanètes par des chercheurs de l'Université d'Exeter) - pour envisager quatre scénarios différents pour l'atmosphère de TRAPPIST-1e.

Ceux-ci comprenaient deux scénarios pour la surface (complètement sec et un couvert par un océan global fournissant de l'humidité pour l'atmosphère) et deux scénarios pour la composition atmosphérique (atmosphère riche en azote avec des niveaux modernes de CO₂ , ou un CO₂ semblable à Mars -atmosphère dominée).

L'une des plus grandes sources de différences inter-GCM sont les nuages ​​:il a été démontré que leurs propriétés optiques, leur altitude, leur épaisseur et leur couverture diffèrent considérablement entre les modèles en raison des différences de paramétrage des nuages. "Représenter la physique humide à petite échelle dans les GCM est notoirement difficile. C'est l'une des principales voies de recherche atmosphérique pour l'exoplanète et la science du climat terrestre", a déclaré le Dr Sergeev.

Le Dr Fauchez, qui dirige le projet THAI, a déclaré :« THAI a tiré parti d'une expertise précieuse des efforts similaires de la communauté des sciences de la Terre étudiant le réchauffement climatique anthropique. Cependant, il a également été en mesure de transférer des connaissances, grâce à des améliorations du modèle sous-jacent. frameworks développés dans le cadre des applications exoplanètes."

Les résultats de ces analyses, qui montrent notamment, pour la première fois, comment l'utilisation d'un MCG peut avoir un impact sur l'interprétation future des données et la planification future des campagnes d'observation, sont présentés dans trois articles entièrement en libre accès. Les résultats complets sont publiés le 15 septembre 2022 dans un numéro spécial de The Planetary Science Journal (PSJ).

Cependant, l'équipe pense que THAI ouvrira non seulement la voie à une modélisation robuste de mondes lointains potentiellement habitables, mais a également lié nos efforts pour trouver la vie au-delà de la Terre avec des études de notre propre changement climatique.

Le Dr Sergeev a ajouté :"Nos travaux sur TRAPPIST-1e, avec une configuration orbitale très différente de la Terre, ont révélé plusieurs améliorations, par exemple, le traitement du réchauffement stellaire de l'atmosphère, désormais mis en œuvre dans l'UM et appliqué à la Terre."

THAI ouvre la voie à un plus grand projet d'intercomparaison de modèles, les climats utilisant des suites interactives d'intercomparaisons imbriquées pour les études d'exoplanètes (CUISINES) qui incluraient une plus grande diversité de cibles et de modèles d'exoplanètes pour les comparer systématiquement et donc les valider. + Explorer plus loin

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