Les exoplanètes connaissent une ascension stratosphérique. Au cours des trois décennies qui ont suivi la première planète confirmée en orbite autour d'une autre étoile, les scientifiques en ont répertorié plus de 4 000. Au fur et à mesure que la liste s'allonge, le désir de trouver des exoplanètes semblables à la Terre augmente également et de déterminer si elles pourraient être des oasis vitales comme notre propre globe.

Les prochaines décennies devraient voir le lancement de nouvelles missions capables de collecter des quantités toujours plus importantes de données sur les exoplanètes. Anticipant ces projets futurs, une équipe de l'Université de Washington et de l'Université de Berne a simulé par ordinateur plus de 200 000 mondes hypothétiques semblables à la Terre - des planètes qui ont la même taille, la même masse, la même composition atmosphérique et la même géographie que la Terre moderne - toutes en orbite autour de des étoiles comme notre soleil. Leur objectif était de modéliser les types d'environnements que les astronomes peuvent s'attendre à trouver sur de véritables exoplanètes semblables à la Terre.

Comme ils le rapportent dans un article accepté par le Planetary Science Journal et soumis le 6 décembre au site de prépublication arXiv, sur ces exoplanètes simulées, une caractéristique commune de la Terre actuelle faisait souvent défaut :une couverture de glace partielle.

"Nous avons essentiellement simulé le climat de la Terre sur des mondes autour de différents types d'étoiles, et nous constatons que dans 90% des cas avec de l'eau liquide à la surface, il n'y a pas de calottes glaciaires, comme les calottes polaires", a déclaré le co-auteur Rory Barnes, un UW professeur d'astronomie et scientifique au Virtual Planetary Laboratory de l'UW. "Lorsque la glace est présente, nous constatons que les ceintures de glace, c'est-à-dire la glace permanente le long de l'équateur, sont en fait plus susceptibles que les calottes glaciaires."

Les résultats mettent en lumière l'interaction complexe entre l'eau liquide et la glace sur des mondes semblables à la Terre, selon l'auteur principal Caitlyn Wilhelm, qui a dirigé l'étude en tant qu'étudiante de premier cycle au département d'astronomie de l'UW.

"Regarder la couverture de glace sur une planète semblable à la Terre peut vous en dire beaucoup sur son habitabilité", a déclaré Wilhelm, qui est maintenant chercheur au Virtual Planetary Laboratory. "Nous voulions comprendre tous les paramètres - la forme de l'orbite, l'inclinaison axiale, le type d'étoile - qui affectent la présence de glace à la surface, et si oui, où."

L'équipe a utilisé un modèle de bilan énergétique 1-D, qui imite informatiquement le flux d'énergie entre l'équateur et les pôles d'une planète, pour simuler les climats sur des milliers d'exoplanètes hypothétiques dans diverses configurations orbitales autour d'étoiles de type F, G ou K. Ces classes d'étoiles, qui incluent notre propre soleil de type G, sont des candidats prometteurs pour accueillir des mondes respectueux de la vie dans leurs zones habitables, également connues sous le nom de zone "Goldilocks". Les étoiles de type F sont un peu plus chaudes et plus grandes que notre soleil; Les étoiles de type K sont légèrement plus froides et plus petites.

Dans leurs simulations, les orbites des exoplanètes allaient de circulaire à un ovale prononcé. L'équipe a également pris en compte des inclinaisons axiales allant de 0 à 90 degrés. L'inclinaison axiale de la Terre est modérée de 23,5 degrés. Une planète avec une inclinaison de 90 degrés "s'assiérait sur le côté" et connaîtrait des variations climatiques saisonnières extrêmes, un peu comme la planète Uranus.

Selon les simulations, qui couvraient une période d'un million d'années sur chaque monde, les mondes semblables à la Terre présentaient des climats allant de climats planétaires de "boule de neige" - avec de la glace présente à toutes les latitudes - à une "serre humide" fumante, qui est probablement similaire au climat de Vénus avant qu'un effet de serre incontrôlable ne rende sa surface suffisamment chaude pour faire fondre le plomb. Mais même si la plupart des environnements dans les simulations se situaient quelque part entre ces extrêmes, de la glace de surface partielle n'était présente que sur environ 10 % des exoplanètes habitables hypothétiques.

Selon le co-auteur Russell Deitrick, chercheur postdoctoral à l'Université de Berne et chercheur au Virtual Planetary Laboratoire.

"Les orbites et les inclinaisons axiales changent constamment", a déclaré Deitrick. "Sur Terre, ces variations sont appelées cycles de Milankovitch et sont de très faible amplitude. Mais pour les exoplanètes, ces changements peuvent être assez importants, ce qui peut éliminer complètement la glace ou déclencher des états de "boule de neige".

Lorsque la glace partielle était présente, sa distribution variait selon les étoiles. Autour des étoiles de type F, les calottes polaires - comme ce que la Terre arbore actuellement - ont été trouvées environ trois fois plus souvent que les ceintures de glace, alors que les ceintures de glace se produisaient deux fois plus souvent que les calottes des planètes autour des étoiles de type G et K. Les ceintures de glace étaient également plus courantes sur les mondes avec des inclinaisons axiales extrêmes, probablement parce que les extrêmes saisonniers maintiennent les climats polaires plus volatils que les régions équatoriales, selon Wilhelm.

Les découvertes de l'équipe sur la glace sur ces mondes ressemblant à la Terre simulés devraient aider à la recherche de mondes potentiellement habitables en montrant aux astronomes ce qu'ils peuvent s'attendre à trouver, en particulier en ce qui concerne la distribution de la glace et les types de climats.

"La glace de surface est très réfléchissante et peut façonner l'apparence d'une exoplanète à travers nos instruments", a déclaré Wilhelm. "La présence ou l'absence de glace peut également déterminer la façon dont un climat changera à long terme, qu'il atteigne un extrême, comme une "boule de neige" ou une serre incontrôlable, ou quelque chose de plus modéré."

La glace seule, ou son absence, ne détermine cependant pas l'habitabilité.

"Habitability encompasses a lot of moving parts, not just the presence or absence of ice," said Wilhelm.

Life on Earth has survived snowball periods, as well as hundreds of millions of ice-free years, according to Barnes.

"Our own planet has seen some of these extremes in its own history," said Barnes. "We hope this study lays the groundwork for upcoming missions to look for habitable signatures in exoplanet atmospheres—and to even image exoplanets directly—by showing what's possible, what's common and what's rare."