L’évaporation atmosphérique, clé de l’évolution planétaire
Bien que nous en apprenions toujours plus sur les processus qui conduisent à la formation des planètes, de nombreux aspects restent incompris. C’est particulièrement vrai pour les exoplanètes (des planètes en orbite autour d’étoiles autres que le soleil) qui semblent avoir des atmosphères volatiles. La proximité des étoiles rend les atmosphères supérieures des exoplanètes vulnérables à la perte de masse par évaporation due à l’échauffement. «Au début du projet, l’évaporation atmosphérique s’entendait presque exclusivement pour les enveloppes riches en hydrogène (H) et en hélium (He), sans modèle fiable pour les atmosphères fortement irradiées ou dominées par des éléments lourds», explique le coordinateur du projet PEVAP, James Owen, de l’Imperial College(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) of Science, Technology and Medicine, au Royaume-Uni. «Il nous manquait donc à la fois une théorie physique prédictive de l’évaporation et un moyen de l’utiliser pour diagnostiquer comment et où les planètes se sont formées. Le projet PEVAP a été conçu pour combler précisément ces lacunes.»
Des modèles d’évaporation de nouvelle génération
Pour atteindre ses objectifs, PEVAP, qui a bénéficié du soutien du Conseil européen de la recherche(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), a réuni des experts en hydrodynamique planétaire, en transfert radiatif, en émission stellaire à haute énergie et en démographie des exoplanètes, basés à l’Imperial College. «D’un point de vue méthodologique, nous avons développé des modèles d’évaporation de nouvelle génération», explique James Owen. «Ils ont été utilisés pour résoudre les problèmes couplés d’hydrodynamique, de thermodynamique et de chimie des écoulements planétaires (c’est-à-dire l’échappement atmosphérique).» Parallèlement, l’équipe du projet a relié ces modèles à des analyses planétaires. À l’aide de vastes séries de calculs évolutifs, l’équipe a prédit comment l’évaporation pourrait influencer la répartition des planètes. «Cette approche a permis d’utiliser l’évaporation comme une sonde puissante de la formation des planètes», explique James Owen.
Diagnostiquer l’échappement atmosphérique passé
Un résultat clé a été de montrer comment l’évaporation peut expliquer quantitativement la structure détaillée de la population d’exoplanètes proches. «Nous avons montré que le nombre relatif de super-Terres (exoplanètes dont la masse est supérieure à celle de la Terre mais nettement inférieure à celle de Neptune ou d’Uranus) peut être reproduit si de nombreuses planètes proches se sont formées avec de modestes enveloppes H/He sur des noyaux solides», note James Owen. «Plus généralement, nous avons fourni les premières contraintes solides sur la distribution de naissance des masses des noyaux et des fractions d’enveloppe pour les planètes proches, ce qui limite l’endroit où elles ont dû accréter leur gaz et le degré de migration autorisé», ajoute-t-il. «Ensemble, ces résultats transforment la population d’exoplanètes observée en un diagnostic calibré de l’échappement atmosphérique passé.»
Explorer les liens avec l’habitabilité des planètes
Le projet est parvenu à recadrer l’évaporation atmosphérique en tant qu’outil essentiel pour comprendre la formation des planètes, et à montrer que de nombreuses super-Terres proches sont les vestiges dénudés de planètes autrefois semblables à Neptune. «Cela a permis de clarifier le fait que le mode de formation dominant des planètes proches implique une modeste accrétion de gaz suivie d’une forte irradiation à haute énergie, plutôt que la formation in situ de planètes rocheuses nues comme les planètes terrestres du système solaire», explique James Owen. L’étape suivante consistera à généraliser le cadre d’inférence de l’évaporation à un plus grand nombre d’objets interstellaires. «L’extension de nos modèles aux atmosphères dominées par les éléments lourds et riches en eau nous aidera à interpréter les prochaines données du téléscope spatial James Webb(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) et d’Ariel(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) dans un contexte évolutif physiquement cohérent», note James Owen. Avec son équipe, il prévoit également de combiner des modèles d’évaporation améliorés avec des simulations de formation, afin de renforcer les contraintes sur l’endroit où les planètes se sont formées par rapport aux lignes de glace et sur la quantité de solide et de gaz qu’elles ont accrétée. «Une autre piste consiste à explorer les liens avec l’habitabilité des planètes», ajoute James Owen. «En cartographiant les endroits où l’évaporation élimine les enveloppes primordiales mais permet aux atmosphères secondaires de persister, nous pouvons identifier les régimes favorables aux mondes tempérés, potentiellement rocheux.»
