En 2021, l’observatoire de nouvelle génération de la NASA, le Télescope spatial James Webb (JWST), prendra l'espace. Une fois opérationnelle, cette mission phare reprendra là où d'autres télescopes spatiaux - comme Hubble, Kepler, et Spitzer - laisser derrière soi. Cela signifie qu'en plus d'étudier certains des plus grands mystères cosmiques, il recherchera également des exoplanètes potentiellement habitables et tentera de caractériser leur atmosphère.
Cela fait partie de ce qui distingue le JWST de ses prédécesseurs. Entre sa haute sensibilité et ses capacités d'imagerie infrarouge, il sera capable de collecter des données sur des atmosphères d'exoplanètes comme jamais auparavant. Cependant, comme l'a récemment montré une étude soutenue par la NASA, les planètes qui ont des atmosphères denses pourraient également avoir une couverture nuageuse étendue, ce qui pourrait compliquer les tentatives de collecte de certaines des données les plus importantes de toutes.
Pendant des années, les astronomes ont utilisé la photométrie de transit (alias la méthode de transit) pour détecter les exoplanètes en surveillant les étoiles lointaines pour les baisses de luminosité. Cette méthode s'est également révélée utile pour déterminer la composition atmosphérique de certaines planètes. Lorsque ces corps passent devant leurs étoiles, la lumière traverse leur atmosphère, dont le spectre est ensuite analysé pour voir quels éléments chimiques s'y trouvent.
Jusqu'à présent, cette méthode a été utile pour observer des planètes massives (géantes gazeuses et «Super Jupiters») qui tournent autour de leurs soleils à de grandes distances. Cependant, observer des planètes rocheuses plus petites (c'est-à-dire «semblables à la Terre») qui orbitent plus près de leurs soleils - ce qui les placerait dans la zone habitable de l'étoile - a dépassé les capacités des télescopes spatiaux.
Pour cette raison, la communauté astronomique attend avec impatience le jour où des télescopes de nouvelle génération comme le JWST seront disponibles. En examinant les spectres de lumière traversant l'atmosphère d'une planète rocheuse (une méthode connue sous le nom de spectroscopie de transmission), les scientifiques seront en mesure de rechercher les indicateurs révélateurs de l'oxygène gazeux, du dioxyde de carbone, du méthane et d'autres signes associés à la vie (alias «biosignatures»). ”).
Un autre élément critique pour la vie (comme nous le savons) est l'eau, donc les signatures de vapeur d'eau dans l'atmosphère d'une planète sont une cible privilégiée pour les futures enquêtes. Mais dans une nouvelle étude dirigée par Thaddeus Komacek, un boursier postdoctoral du Département des sciences géophysiques de l'Université de Chicago, il est possible que toute planète avec une eau de surface abondante contienne également des nuages abondants (particules de glace qui se condensent) dans son atmosphère. .
Pour les besoins de cette étude, Komacek et ses collègues ont examiné si ces nuages pourraient interférer avec les tentatives de détection de vapeur d'eau dans l'atmosphère des exoplanètes terrestres. En raison du nombre d'exoplanètes rocheuses qui ont été découvertes dans les zones habitables des étoiles de type M (naine rouge) au cours des dernières années - comme Proxima b - les naines rouges voisines seront au centre des études futures.
Comme Komack l'a expliqué à Space Magazine par e-mail, les planètes verrouillées qui orbitent autour des étoiles naines rouges sont bien adaptées aux études impliquant la spectroscopie par transmission - et pour un certain nombre de raisons:
«Les planètes en transit en orbite autour d'étoiles naines rouges sont des cibles plus favorables que celles en orbite autour d'étoiles semblables au Soleil parce que le rapport entre la taille de la planète et la taille de l'étoile est plus grand. La taille du signal en transmission est le carré du rapport de la taille de la planète à la taille de l'étoile, donc il y a une augmentation significative du signal allant vers des étoiles plus petites que la Terre.
«Une autre raison pour laquelle les planètes en orbite autour des étoiles naines rouges sont plus favorables à observer est que la« zone habitable », ou là où nous nous attendons à ce qu'il y ait de l'eau liquide à la surface de la planète, est beaucoup plus proche de l'étoile… sur des orbites plus proches, des planètes rocheuses habitables en orbite autour d'étoiles naines rouges transiteront leur étoile beaucoup plus souvent, ce qui permet aux observateurs de faire de nombreuses observations répétées.“
Dans cet esprit, Komacek et son équipe ont utilisé deux modèles conjointement pour générer des spectres de transmission synthétiques de planètes verrouillées par la marée autour d'étoiles de type M. Le premier était ExoCAM développé par le Dr Eric Wolf du Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale de l'Université du Colorado (LASP), un modèle de système terrestre communautaire (CESM) utilisé pour simuler le climat de la Terre, qui a été adapté pour étudier les atmosphères exoplanètes.
À l'aide du modèle ExoCAM, ils ont simulé le climat de planètes rocheuses en orbite autour d'étoiles naines rouges. Deuxièmement, ils ont utilisé le générateur de spectre planétaire développé par le Goddard Space Flight Center de la NASA pour simuler le spectre de transmission que le JWST détecterait à partir de leur planète simulée. Comme Komacek l'a expliqué:
«Ces simulations ExoCAM ont calculé les distributions tridimensionnelles de la température, du rapport de mélange de la vapeur d'eau et des particules de nuages d'eau liquide et glacée. Nous avons constaté que les planètes en orbite autour des étoiles naines rouges sont beaucoup plus nuageuses que la Terre. En effet, leur journée entière a un climat similaire aux tropiques de la Terre, et donc la vapeur d'eau est facilement projetée à de basses pressions où elle peut se condenser et former des nuages qui couvrent une grande partie de la journée de la planète…
«Le PSG a donné des résultats pour la taille apparente de la planète en transmission en fonction de la longueur d'onde, ainsi que de l'incertitude. En regardant comment la taille du signal a changé avec la longueur d'onde, nous avons pu déterminer la taille des caractéristiques de vapeur d'eau et les comparer au niveau d'incertitude. »
Entre ces deux modèles, l'équipe a pu simuler des planètes avec et sans couverture nuageuse, et ce que le JWST pourrait détecter en conséquence. Dans le premier cas, ils ont découvert que la vapeur d'eau dans l'atmosphère de l'exoplanète serait presque certainement détectable. Ils ont également constaté que cela pouvait être fait pour des exoplanètes de la taille de la Terre en seulement dix transits ou moins.
"[W] uand nous avons inclus les effets des nuages, le nombre de transits que JWST devait observer pour détecter la vapeur d'eau a été multiplié par dix à cent", a expliqué Komacek. "Il y a une limite naturelle sur le nombre de transits que JWST peut observer pour une planète donnée parce que JWST a une durée de vie nominale de mission de 5 ans et l'observation de la transmission ne peut être effectuée que lorsque la planète passe entre nous et son étoile hôte."
Ils ont également constaté que l'impact de la couverture nuageuse était particulièrement fort avec des planètes à rotation plus lente autour des naines rouges. Fondamentalement, les planètes qui ont des périodes orbitales supérieures à environ 12 jours verraient plus de formation de nuages sur leurs côtés. "Nous avons constaté que pour les planètes en orbite autour d'une étoile comme TRAPPIST-1 (la cible la plus favorable connue), JWST ne serait pas en mesure d'observer suffisamment de transits pour détecter la vapeur d'eau", a déclaré Komacek.
Ces résultats sont similaires à ce que d'autres chercheurs ont noté, a-t-il ajouté. L'année dernière, une étude menée par des chercheurs de la NASA Goddard a montré comment la couverture nuageuse rendrait la vapeur d'eau indétectable dans l'atmosphère des planètes TRAPPIST-1. Plus tôt ce mois-ci, une autre étude soutenue par la NASA Goddard a montré comment les nuages réduiraient l'amplitude de la vapeur d'eau au point que le JWST les éliminerait en tant que bruit de fond.
Mais avant de penser que ce ne sont que de mauvaises nouvelles, cette étude présente quelques suggestions sur la façon de surmonter ces limites. Par exemple, si le temps de mission est un facteur, la mission JWST peut être prolongée afin que les scientifiques aient plus de temps pour collecter des données. Déjà, la NASA espère avoir le télescope spatial en service pendant dix ans, donc une extension de mission est déjà une possibilité.
Dans le même temps, un seuil signal / bruit abaissé pour la détection pourrait permettre de sélectionner davantage de signaux dans les spectres (bien que cela signifierait également plus de faux positifs). En outre, Komacek et ses collègues étaient sûrs de souligner que ces résultats ne s'appliquent qu'aux fonctionnalités situées en dessous du pont cloud sur les exoplanètes:
«Parce que la vapeur d'eau est principalement piégée sous le niveau des nuages d'eau, la forte couverture nuageuse sur les planètes en orbite autour des étoiles naines rouges rend la détection des caractéristiques de l'eau extrêmement difficile. Il est important de noter que JWST sera toujours en mesure de limiter la présence de composants atmosphériques clés comme le dioxyde de carbone et le méthane dans seulement une dizaine de transits. »
Encore une fois, ces résultats sont étayés par des recherches antérieures. L'année dernière, une étude de l'Université de Washington a examiné la détectabilité et les caractéristiques des planètes TRAPPIST-1 et a constaté que les nuages ne sont pas susceptibles d'avoir un impact significatif sur la détectabilité des caractéristiques de l'oxygène et de l'ozone - deux biosignatures clés associées à la présence de vie.
Donc, en réalité, le JWST pourrait avoir du mal à détecter la vapeur d'eau dans les atmosphères d'exoplanètes, du moins en ce qui concerne la couverture nuageuse dense. Pour les autres biosignatures, le JWST ne devrait avoir aucun mal à les flairer, nuages ou pas de nuages. De grandes choses devraient venir de Webb, le télescope spatial le plus puissant et sophistiqué de la NASA à ce jour. Et tout commencera l'année prochaine!
