Les différences entre la Terre et Vénus sont évidentes pour nous. L’un est rayonnant de vie et orné de mers scintillantes, et l’autre est un enfer brûlant et rougeoyant, sa surface volcanique enveloppée de nuages épais et visible uniquement par radar. Mais la différence n’était pas toujours claire. En fait, nous avions l’habitude d’appeler Vénus la planète sœur de la Terre.
Les astronomes peuvent-ils distinguer les exo-Terres et les exo-Vénus à une grande distance ?
Il y a beaucoup de planètes telluriques dans les zones habitables des soleils lointains. Parfois, ils sont décrits comme “ressemblant à la Terre” simplement parce qu’ils sont rocheux et à la bonne distance de l’étoile. Mais avec peu d’informations sur leurs atmosphères et leurs climats et presque aucune information sur d’autres choses comme la tectonique des plaques, peuvent-elles vraiment être décrites avec précision comme semblables à la Terre ? Pourraient-ils tout aussi bien être des exo-Vénus surchauffées ?
La polarimétrie pourrait nous aider à déterminer quelles exoplanètes ressemblent davantage à la Terre et lesquelles ressemblent davantage à Vénus.
La polarimétrie est la mesure de la lumière polarisée qui a été affectée par le matériau qu’elle traverse, réfléchit ou est réfractée ou diffractée. La polarimétrie est aussi l’interprétation des mesures. Un nouvel article modélise la polarisation de la lumière des étoiles réfléchie par différents types d’atmosphères d’exoplanètes en se basant sur l’évolution de l’atmosphère de Vénus depuis sa formation. Les auteurs voulaient savoir si la polarimétrie pouvait faire la distinction entre les exoplanètes de type Terre et les exoplanètes de type Vénus.
L’article est “Des exo-Terres aux exo-Vénus – Signatures de flux et de polarisation de la lumière réfléchie.” Il sera publié dans la revue Astronomy and Astrophysics. L’auteur principal est Gourav Mahapatra, physicien de l’atmosphère à l’Institut néerlandais de recherche spatiale.
Les comparaisons entre Vénus et la Terre sont des cas instructifs en science planétaire. Elles ont toutes les deux le même âge, elles ont à peu près la même taille, ce sont toutes les deux des planètes rocheuses formées des mêmes matériaux, et elles ont toutes les deux des atmosphères significatives. Mais les astronomes sont curieux de l’habitabilité. Et en ce qui concerne l’habitabilité, la paire de planètes est très différente. La Terre chante avec le chœur de la vie tandis que Vénus est muette.
Les scientifiques savent que les atmosphères de la Terre et de Vénus ont beaucoup changé au fil du temps. Lorsque les astronomes étudient des exoplanètes à la recherche de planètes semblables à la Terre, ils ne peuvent pas savoir dans quelle phase d’évolution elles se trouvent, ils doivent donc modéliser les atmosphères à différents stades d’évolution. Étant donné que les exo-Vénus peuvent se faire passer pour des exo-Terres, elles ont besoin d’une méthode pour distinguer les deux.
Vénus a peut-être commencé avec une atmosphère mince semblable à celle de la Terre. Il y avait peut-être aussi un océan. Mais la planète a subi un effet de serre galopant. Cela a conduit l’eau dans l’atmosphère, créant une atmosphère enrichie en vapeur d’eau. Cela a pris du temps et les chercheurs ont modélisé l’atmosphère de Vénus en quatre étapes différentes, imitant ce qu’ils pourraient voir lorsqu’ils trouveraient des exoplanètes terrestres.
Les chercheurs ont calculé à la fois le flux et la polarisation de la lumière pour des atmosphères à différents stades d’évolution de l’atmosphère de Vénus. Ils ont varié les compositions atmosphériques de l’eau pure à celles contenant de l’acide sulfurique, un gaz caractéristique de l’épaisse atmosphère moderne de Vénus. Ils voulaient savoir quelle est la force de la différence de polarisation par rapport au flux. Si la polarisation variait de façon mesurable, ils étaient sur quelque chose.
Dans la phase 1, l’atmosphère correspond à l’atmosphère actuelle de la Terre, à l’exception de l’oxygène. L’oxygène n’affecte pas beaucoup les résultats, de sorte que la quantité d’oxygène dans l’atmosphère d’une exoplanète ne serait pas critique pour la polarimétrie.
Dans la phase 2, l’atmosphère ressemble beaucoup plus à Vénus et se compose de gaz CO2 presque pur. Il a
nuages d’eau liquide relativement minces avec bc = 4, et avec les sommets des nuages à 80 km. Pour cette étape,
l’équipe a utilisé reff de 0,5 µm, ce qui est inférieur à la valeur actuelle. L’atmosphère était si chaude qu’une forte condensation ne pouvait pas avoir lieu, empêchant les particules de grossir.
Dans la phase 3, les nuages sont des nuages épais de solution d’acide sulfurique. Les bc = 120, et le nuage
les sommets sont à 65 km car l’atmosphère est suffisamment froide pour permettre la condensation et/ou la coalescence
de vapeur saturée sur une grande plage d’altitude.
Dans la phase 4, les nuages ressemblent beaucoup aux nuages de Vénus d’aujourd’hui. Les nuages ne sont pas aussi épais avec un bc = 30, et les sommets des nuages sont à 65 km.
Étant donné que les chercheurs examinaient la lumière polarisée, l’angle de phase planétaire est essentiel à leurs résultats. L’angle de phase est l’angle entre la lumière incidente sur un objet observé et la lumière réfléchie par l’objet. Dans ce cas, c’est l’angle entre nous (observateur,) l’exo-étoile et l’exoplanète.
Dans leur article, les chercheurs utilisent une planète modèle dans le système Alpha Centauri pour aider à expliquer leur travail.
Alors, qu’est-ce qu’ils ont trouvé?
“Le degré de polarisation de la lumière des étoiles réfléchie montre de plus grandes variations avec l’angle de phase planétaire et la longueur d’onde que le flux total”, écrivent-ils. En lumière visible, le plus grand degré de polarisation concerne les atmosphères de type terrestre contenant des nuages de vapeur d’eau. C’est en partie à cause de la diffusion Rayleigh.
Aux longueurs d’onde NIR, “une atmosphère de CO2 semblable à celle de Vénus et de minces nuages d’eau montre le plus important
caractéristiques de polarisation dues à la diffusion de type Rayleigh par les petites gouttelettes de nuage », écrivent les auteurs.
Un problème auquel les astronomes sont confrontés lorsqu’ils étudient les atmosphères d’exoplanètes est qu’ils ne peuvent pas contrôler l’angle de phase de leurs observations. L’orientation de l’orbite d’une planète détermine cela, et elle change avec le temps. Pour en tenir compte, les chercheurs ont combiné toutes leurs données de modélisation en une seule image qui montre quels modèles planétaires ont le plus grand degré absolu de polarisation.
et longueurs d’onde : Phase 1 – « Terre actuelle » (bleu) ; Phase 2 -‘ Nuages minces Vénus’ (orange clair); Phase 3
‘Nuages épais Vénus’ (orange foncé); et Phase 4 – ‘Vénus actuelle’ (marron). En bas : les valeurs maximales
du degré de polarisation des quatre planètes modèles. Crédit d’image : Mahapatra et al. 2023.
Les chercheurs ont modélisé Vénus en quatre étapes évolutives et montré comment la polarité change avec la composition atmosphérique, la taille des particules et l’angle de phase. Il semble donc que la polarimétrie puisse jouer un rôle plus important dans les études d’exoplanètes. C’est déjà un outil important en astronomie et est utilisé pour étudier les trous noirs, les disques de formation de planètes autour des étoiles, les noyaux galactiques cachés et d’autres objets astronomiques.
Les astronomes disposent de nombreux polarimètres. L’instrument SPHERE du VLT et l’instrument HARPS de La Silla sont tous deux équipés de polarimètres, comme de nombreux autres télescopes. Le problème est que, bien que nous puissions modéliser les changements de polarité des exoplanètes, cela ne signifie pas qu’ils sont si importants que nous pouvons les détecter à une grande distance.
“Les polarimètres actuels semblent incapables de faire la distinction entre les phases évolutives possibles des exo-planètes terrestres spatialement non résolues”, écrivent les auteurs. Nos polarimètres actuels ne sont pas à la hauteur de la tâche. “Un télescope/instrument capable d’obtenir des contrastes planète-étoile inférieurs à 10?9 devrait pouvoir observer la grande variation du degré résolu de polarisation de la planète en fonction de son angle de phase et ainsi pouvoir discerner une exo-Terre d’une exo-Vénus sur la base des signatures de polarisation uniques de ses nuages.
La polarimétrie devient un outil plus puissant en astronomie. Le prochain ELT sera le télescope à lumière optique le plus puissant au monde dans un avenir prévisible. Son puissant instrument EPICS pourrait être en mesure de faire le travail, tout comme les futurs télescopes spatiaux. « De plus, des instruments comme EPICS sur ELT et des concepts d’instruments sur de futurs observatoires spatiaux comme HabEx et LUVOIR promettent d’atteindre des contrastes d’environ 10?dix», écrivent les auteurs.
L’imageur de systèmes planétaires proposé par le télescope de trente mètres pourrait également faire l’affaire. Mais c’est un instrument de deuxième génération et ne sera pas disponible au premier éclairage.
Même si actuel Les instruments polarimétriques ne sont peut-être pas encore assez puissants, les auteurs pensent que la polarimétrie sera capable de faire la différence entre des planètes vraiment semblables à la Terre et des planètes semblables à Vénus. Nous avons juste besoin de polarimètres avec des contrastes extrêmes.
“Atteindre des contrastes aussi extrêmes permettrait de détecter directement les planètes de type terrestre et d’utiliser la polarimétrie pour différencier les exo-Terres des exo-Vénus.”
Ce n’est probablement qu’une question de temps.
