Possibile destruction atmosphérique d'une exoplanète potentiellement habitable

21 février 2024

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par David Appell, Phys.org

Des astrophysiciens étudiant une exoplanète populaire dans la zone habitable de son étoile ont découvert que des courants électriques dans l'atmosphère supérieure de la planète pourraient générer suffisamment de chaleur pour dilater l'atmosphère au point qu'elle quitte la planète, laissant probablement la planète inhabitable.

Jusqu'à présent, les scientifiques planétaires pensaient qu'une planète habitable avait besoin d'un champ magnétique fort l'entourant pour agir comme un bouclier, dirigeant les particules ionisées, les rayons X et les radiations ultraviolettes dans le vent stellaire autour et loin de son atmosphère.

C'est ce qui se passe sur Terre, empêchant les radiations dangereuses d'atteindre la vie à la surface, et ce qui ne se produit pas sur Mars, qui manque maintenant d'un champ magnétique global, ce qui signifie que tout habitant initial de la planète rouge devra probablement vivre dans des grottes et cavités souterraines pour se protéger du vent solaire.

La nouvelle recherche, menée par Ofer Cohen du Lowell Center for Space Science and Technology de l'Université du Massachusetts Lowell et ses collègues, publiée dans The Astrophysical Journal, a examiné si les courants électriques générés dans l'ionosphère de l'exoplanète Trappist-1e pourraient entraîner suffisamment de chaleur et d'expansion de l'atmosphère pour qu'elle puisse s'échapper de la gravité de la planète et être perdue dans l'espace.

TRAPPIST-1e est une étoile naine M froide dans la constellation du Verseau à environ 41 années-lumière de la Terre. Son système planétaire, qui compte sept exoplanètes observées, est le système le plus étudié en dehors de notre propre système solaire.

Trois de ces planètes se trouvent dans la zone habitable de l'étoile, avec des températures de surface où l'eau liquide pourrait exister. Comme les naines M, qui représentent environ 70 % des étoiles de l'univers, sont plus froides que notre soleil, ces zones sont beaucoup plus proches de ces étoiles.

Trappist-1e, une exoplanète découverte en 2017, orbite à seulement 0,028 UA de son étoile (où 1 UA est la distance moyenne entre le soleil et la Terre ; Mercure orbite à environ 0,4 UA). Rocheuse et semblable à la Terre, sa densité moyenne n'est que 2 % supérieure à celle de la Terre, et sa gravité de surface de 82 %. De plus, elle a une température d'équilibre de 246 Kelvin, seulement 9 K en dessous de celle de la Terre.

Ces caractéristiques font de Trappist-1e l'une des exoplanètes les plus intéressantes découvertes à ce jour. Mais possède-t-elle une atmosphère ? Parce qu'elle est située beaucoup plus près de son étoile, l'arrachage atmosphérique par les vents stellaires devrait être beaucoup plus fort que, par exemple, celui de Mercure, qui n'a pas d'atmosphère.

Des travaux antérieurs ont montré que les vents stellaires de Trappist-1 pourraient potentiellement arracher une atmosphère riche en hydrogène de ses exoplanètes par photoévaporation, mais la complexité de la modélisation signifie que ces planètes pourraient avoir une multitude d'environnements atmosphériques.

Mais un autre mécanisme potentiel d'arrachement est lorsque les vents stellaires chargés externes impactent l'atmosphère supérieure ionisée. Dans des travaux antérieurs, Cohen et d'autres ont découvert que lorsque la conductance et l'impédance de chacune d'elles sont similaires en amplitude, les trois exoplanètes Trappist e, f et g pourraient subir un chauffage ohmique en courant continu (DC) allant jusqu'à 1 watt par mètre carré, soit 1 % de l'irradiance solaire entrante et 5 à 15 fois l'énergie stellaire provenant du rayonnement ultraviolet extrême. Un tel 'chauffage ohmique' pourrait potentiellement arracher l'atmosphère de l'une de ces planètes. (Sur Terre, le chauffage ohmique est d'environ 0,01 W/m2.)

Maintenant, Cohen et ses collègues ont modélisé un deuxième phénomène qui pourrait également affecter les atmosphères planétaires de Trappist-1 : le chauffage dû au mouvement de la planète elle-même. Des courants électriques alternatifs (CA) seront générés dans l'atmosphère supérieure de la planète lorsqu'elle rencontre un champ magnétique stellaire changeant en orbite autour de son étoile (loi de l'induction de Faraday).

Because astronomers do not have measurements of Trappist-1's stellar wind and magnetic field, the group used validated physics-based models to calculate its energy output, its solar wind and the changing magnetic field at the Trappist-1e distance. Using reasonable estimates for the width of Trappist 1e's ionosphere, its conductance and the magnitude of the changing magnetic field, their results show that the Joule heating energy flux in the upper atmosphere of the planet would vary from 0.01 to 100 W/m2, a significant amount of heating that may be greater than that due to extreme-ultraviolet and 1 to 10% of the stellar energy flux at the planet.

They conclude that such intense values could cause a strong atmospheric escape and 'could lead to a rapid loss of the atmosphere.' It means astrobiologists and others should take Joule heating into account when considering an exoplanet's habitability.

'It is likely that both mechanisms operate together in close-in exoplanets,' said Cohen. 'Therefore, our work (and our solar system knowledge) may suggest that exoplanets located very close to the star are likely bare planets with no atmosphere.'

Cohen notes that their work has a political element, as many teams are investigating the atmospheres of Trappist-1 planets. The James Webb Space Telescope (JWST) has already started to observe this system's planetary atmospheres (finding none), and there are plans to do more. 'This may be a bit of a waste of resources if there is no atmosphere to study,' said Cohen.

Journal information: Astrophysical Journal

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