Percer les secrets des atmosphères exoplanétaires
L’atmosphère des exoplanètes recèle des informations concernant leur formation et leur évolution, notamment leur masse, leur rayon et leur âge, et même leur habitabilité. Étant donné que les processus de convection et de circulation déterminent les atmosphères des planètes du système solaire, les chercheurs pensent qu’il en va de même pour les atmosphères des exoplanètes. Dans ce contexte, le projet ATMO, financé par le Conseil européen de la recherche, s’est appuyé sur des simulations par superordinateur pour valider leurs cadres théoriques révisés. «Les conclusions d’ATMO permettent déjà d’expliquer une partie du nombre croissant d’observations d’exoplanètes, plus particulièrement depuis le lancement du télescope spatial James Webb», explique Pascal Tremblin, coordinateur du projet au Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives.
Convection diabatique
Pour étudier les processus de convection, ATMO a fait appel à des simulations développées pour la thermohydraulique des systèmes de refroidissement des centrales nucléaires. «Ces modèles très précis ont révélé que de nombreux systèmes convectifs étaient dynamiquement instables, ce que les théories précédentes n’avaient pas prévu», explique Pascal Tremblin. Cela a permis à l’équipe d’élaborer une théorie généralisée baptisée «théorie de la convection diabatique», diabatique signifiant échange de chaleur». Cette théorie a dépassé les attentes par sa capacité à intégrer une série d’instabilités, telles que la libération/pompage de chaleur latente par la condensation/l’évaporation de l’eau. Elle est donc applicable à divers phénomènes hydrodynamiques, tels que l’instabilité de Rayleigh-Taylor, qui pourrait contribuer à expliquer la formation des nuages. L’extension de la théorie à deux applications supplémentaires: la convection diabatique compositionnelle et la convection diabatique par dynamos magnéto-hydrodynamiques (MHD), a également été validée. «L’extension de la théorie aux MHD est particulièrement précieuse pour l’étude des exoplanètes dont les atmosphères sont ionisées, ainsi que pour les atmosphères et les intérieurs stellaires, également ionisés et chauds», fait remarquer Pascal Tremblin.
Simuler la circulation induite par l’irradiation
ATMO a adapté un modèle de circulation générale (MCG) pour simuler la circulation induite par l’irradiation dans l’atmosphère d’exoplanètes surnommées «Jupiters chauds». Bien que ces géantes gazeuses ressemblent à notre Jupiter, elles sont très proches de leur étoile et leur température de surface est très élevée. «Nous voulions caractériser la circulation profonde dans l’atmosphère de ces planètes sur des milliers d’années, et non sur les centaines de jours habituels», explique Pascal Tremblin. Les travaux de l’équipe ont abouti aux premières études «paléoclimatiques» des Jupiters chauds, un chercheur de l’ATMO étant actuellement responsable de ce type d’études.
Deux avancées majeures
Les travaux de l’ATMO expliquent une énigme de longue date: le rayon enflé (souvent deux fois plus grand) des Jupiters chauds par rapport à notre propre Jupiter. De nombreuses explications ont été avancées depuis que le première Jupiter chaud a été observé il y a plus de 20 ans. «Nous avons démontré que la circulation atmosphérique verticale peut à elle seule générer une atmosphère profonde chaude, en remplaçant le fluide froid des couches profondes par un fluide réchauffé dans les couches supérieures», explique Pascal Tremblin. «Ce phénomène n’a jamais été détecté auparavant parce que les simulations MCG étaient initialement trop froides et que les échelles de temps étaient trop courtes pour rendre compte de l’augmentation de la température.» ATMO a également démontré les avantages de sa théorie de la convection diabatique pour décrire des systèmes convectifs connus tels que: la convection humide dans l’atmosphère terrestre, la convection thermohaline dans les océans, la convection fingering à l’intérieur des étoiles et convection de vapeur/liquide dans les systèmes de refroidissement des centrales nucléaires. «Notre théorie peut également prendre en compte la convection radiative/chimique dans les atmosphères des exoplanètes, qui survient en raison des réactions lentes de la chimie du carbone et de l’azote et des processus radiatifs rapides causés par l’opacité de ces molécules», explique Pascal Tremblin.
Au-delà de l’horizon
Les travaux d’ATMO sur la convection diabatique ont déjà contribué à l’élaboration de modèles atmosphériques pour les exoplanètes, qui aident à interpréter les observations du télescope spatial James Webb. Ses modèles de circulation mondiale ont également été utilisés pour émettre des prévisions concernant les rayons enflés des Jupiters chauds. «Nous avons réussi à reproduire l’atmosphère profonde et chaude nécessaire pour expliquer pourquoi le rayon de l’exoplanète WASP-76b est enflé» ajoute Pascal Tremblin.
Mots‑clés
ATMO, Jupiter, exoplanète, atmosphère, télescope spatial James Webb, convection, circulation, planète, système solaire