La découverte d’exoplanètes est désormais presque une routine. Nous avons découvert plus de 5 500 exoplanètes et la prochaine étape consiste à étudier leur atmosphère et à rechercher des biosignatures. Le télescope spatial James Webb ouvre la voie dans cet effort. Mais dans l'atmosphère de certaines exoplanètes, la foudre pourrait rendre le travail du JWST plus difficile en masquant certaines biosignatures potentielles tout en en amplifiant d'autres.
La détection de biosignatures dans l’atmosphère de planètes lointaines se heurte à de nombreuses difficultés. Ils n’annoncent pas leur présence et les signaux que nous recevons des atmosphères des exoplanètes sont compliqués. De nouvelles recherches ajoutent une autre complication à l’effort. Il dit que la foudre peut masquer la présence de choses comme l'ozone, une indication qu'une vie complexe pourrait exister sur une planète. Il peut également amplifier la présence de composés comme le méthane, considéré comme une biosignature prometteuse.
La nouvelle recherche est intitulée "L'effet de la foudre sur la chimie atmosphérique des exoplanètes et les biosignatures potentielles", et sa publication a été acceptée dans la revue Astronomy and Astrophysics. . Il est disponible sur arXiv serveur de préimpression. L'auteur principal est Patrick Barth, chercheur à l'Institut de recherche spatiale de l'Académie autrichienne des sciences.
Bien que nous ayons découvert plus de 5 500 exoplanètes, seules 69 d’entre elles se trouvent dans les zones potentiellement habitables autour de leur étoile. Ce sont des planètes rocheuses qui reçoivent suffisamment d’énergie de leurs étoiles pour potentiellement maintenir de l’eau liquide à leur surface. Notre recherche de biosignatures se concentre sur ce petit nombre de planètes.
La prochaine étape importante consiste à déterminer si ces planètes ont des atmosphères et quelle est la composition de ces atmosphères. Le JWST est notre instrument le plus puissant à ces fins. Mais pour comprendre ce que le JWST nous montre dans des atmosphères lointaines, nous devons savoir ce que nous disent ses signaux. Des recherches comme celle-ci aident les scientifiques à se préparer aux observations du JWST en les alertant des potentiels faux positifs et des biosignatures masquées.
Dans leurs recherches, les auteurs ont combiné des expériences en laboratoire avec une modélisation du transfert photochimique et radiatif. Les atmosphères peuvent être extraordinairement complexes, et il est peu probable que deux exoplanètes aient les mêmes qualités atmosphériques. Mais la physique et la chimie dictent ce qui peut se produire, et les modèles de transfert photochimique et radiatif peuvent gérer des milliers de types différents de réactions chimiques dans l'atmosphère.
Dans les expériences en laboratoire, les décharges d'étincelles remplaçaient la foudre. Les chercheurs se sont concentrés sur les atmosphères contenant du N2 , CO2 , et H2 et les différents produits produits par la foudre. D'autres recherches ont fait de même, mais ce travail est différent. Les recherches antérieures portaient soit sur des produits individuels, soit sur un petit nombre de produits seulement. Mais Barth et ses collègues ont développé ce travail. Ils ont étudié la production d'une plus grande variété de produits chimiques.
Cela leur a permis "... d'étudier les tendances de nos expériences concernant l'état d'oxydation des produits de foudre et l'influence de la vapeur d'eau", expliquent-ils. "En particulier, nous nous sommes intéressés à l'effet de la foudre sur la production de potentielles (anti-)biosignatures dans le cadre d'observations actuelles et à venir d'atmosphères exoplanétaires."
Les chercheurs ont découvert que l’effet de la foudre sur les biosignatures dépend du type d’atmosphère et de la quantité de foudre. Ils ont étudié deux grands types d’atmosphères :réductrice et oxydante. Une atmosphère réductrice ne contient ni oxygène ni autres gaz oxydants et ne peut produire aucun composé oxydé. Une atmosphère oxydante est le contraire. Il contient de l'oxygène, qui produit des composés oxydés.
Leurs résultats montrent que pour une planète avec des eaux de surface et des conditions habitables avec une atmosphère légèrement réductrice ou légèrement oxydante, la foudre est moins susceptible de produire des faux positifs. Les auteurs prédisent que «… pour le type d'atmosphères étudiées ici, la foudre n'est pas capable de produire un NH3 faussement positif. ou CH4 biosignature." Ils disent qu'il est également peu probable que la foudre puisse produire un N2 faussement positif. Ô biosignature.
Mais la foudre a produit certains composés, dont du CO et du NO. Les chercheurs ont utilisé les taux de production des deux produits chimiques pour calculer l’impact des taux d’éclairs sur la composition chimique de l’atmosphère. Ensuite, ils ont appliqué ce modèle à des planètes de la taille de la Terre dans les zones habitables du Soleil et à TRAPPIST-1 pour les atmosphères oxiques et anoxiques. Ils ont mené des simulations de ces scénarios sur des planètes avec et sans biosphères. Ils ont également calculé les spectres simulés de ces mondes pour identifier les signatures chimiques.
Leurs résultats ? "Nous constatons que la foudre n'est pas capable de produire une anti-biosignature de CO faussement positive sur une planète habitée", expliquent les auteurs. "Dans une atmosphère riche en oxygène, cependant, des fréquences de foudre seulement quelques fois supérieures à celles de la Terre moderne peuvent masquer l'O3 biosignature [ozone]."
Mais dans d’autres situations, la foudre peut empêcher les faux positifs. Dans l'atmosphère anoxique d'une planète en orbite autour d'une ancienne naine rouge, des éclairs plus fréquents que ceux de la Terre peuvent éliminer un type de faux positifs confondants.
"De même, dans l'atmosphère anoxique et abiotique d'une planète en orbite autour d'une naine tardive M, des éclairs à des fréquences d'éclair dix fois ou plus supérieures à celles de la Terre moderne peuvent supprimer l'ozone abiotique produit par le CO2. photolyse, empêchant une détection de biosignature faussement positive", expliquent-ils. Dire que c'est compliqué est un euphémisme.
Il y a encore une autre tournure. La foudre peut ne pas empêcher d’autres faux positifs importants. "… la foudre pourrait ne pas être en mesure d'empêcher tous les faux positifs O2 scénarios pour le CO2 -des planètes telluriques riches en orbite autour de naines ultra-froides M", écrivent les auteurs.
Ceux qui ont le sens de l’ironie en remarqueront peut-être ici. Les scientifiques sont presque sûrs que la foudre a joué un rôle dans la vie sur Terre en fournissant l’étincelle énergétique qui a lancé le bal. Mais le fait que la foudre puisse également rendre plus difficile la découverte de la vie est quelque peu ironique.
Mais l’ironie est une invention humaine. La nature s'en fiche. Il fait ce qu'il fait, et c'est à nous de le découvrir.
"En résumé, nos travaux fournissent de nouvelles contraintes pour la caractérisation complète des processus atmosphériques et de surface sur les exoplanètes", concluent les auteurs.
Plus d'informations : Patrick Barth et al, L'effet de la foudre sur la chimie atmosphérique des exoplanètes et les biosignatures potentielles, arXiv (2024). DOI :10.48550/arxiv.2402.13682
Informations sur le journal : arXiv , Astronomie et astrophysique
Fourni par Universe Today
