Exoplanetary Atmospheric Chemistry at high Temperature

 

 

Il y a moins de vingt cinq ans, la découverte des exoplanètes a révélé la diversité de mondes planétaires que l’Univers abritait. Depuis, plusieurs milliers d’exoplanètes ont été confirmées avec des masses, des rayons, des paramètres orbitaux très variés. Les observations par spectroscopie de transit effectuées ces dernières années avec des instruments spatiaux (Hubble, Spitzer) et au sol ont permis de détecter la présence de quelques molécules dans l’atmosphère de certaines exoplanètes et aussi de contraindre leur structure thermique. Cependant la qualité et la quantité des observations actuelles font que beaucoup de mystères demeurent concernant ces exoplanètes : quels sont les liens entre la nature de l’étoile et les caractéristiques des planètes ? Comment la chimie de l’atmosphère et son évolution est liée à l’environnement de formation ? …

 

 

Grâce à la qualité et la quantité de leurs observations, les futurs télescopes tels que ARIEL (The Atmospheric Remote-Sensing Infrared Exoplanet Large-Survey) et JWST (James Webb Space Telescope), dans lesquels nous sommes fortement impliqués, permettront de répondre à ces questions. Leurs observations spectroscopiques dans l’infrarouge permettront en effet de déterminer la composition chimique des atmosphères d’exoplanètes, en confrontant les observations spectroscopiques aux résultats de modèles atmosphériques, tels que notre modèle cinétique à une dimension (1D).

 

 

Au LISA, nous nous intéressons particulièrement aux exoplanètes chaudes, appelées Jupiters Chauds et Neptunes Chauds, qui ont une température atmosphérique comprise entre 500 et 2000 K. Notre modèle cinétique 1D est adapté à l’étude de ces atmosphères, puisqu’il utilise des schémas chimiques conçut spécialement pour ces températures élevées (Venot et al., 2012, 2015). Ces modèles 1D peuvent néanmoins être améliorer et c’est l’objectif de notre projet EXACT (Exoplanetary Atmospheric Chemistry at high Temperature) qui contribuera à une meilleure compréhension des atmosphères d’exoplanètes.

 

 

Parmi les développements que nous souhaitons réalisés dans ce projet, il y a celui de mesurer expérimentalement des données physico-chimiques à températures élevées pour une modélisation représentatives des atmosphères des exoplanètes chaudes :

Les modèles cinétiques 1D d’exoplanètes décrivent les réactions chimiques se déroulant dans leur atmosphère. Ils considèrent également les processus de photodissociations, engendrées par l’irradiation stellaire. Pour calculer les taux de photodissociations, les données indispensables sont les sections efficaces d’absorption dans le domaine VUV (Vacuum-Ultraviolet). Ces données sont connues à température ambiante pour les molécules les plus abondantes, mais très peu d’études ont été réalisées sur leur dépendance thermique. Faute de données adaptées, les modèles cinétiques d’exoplanètes chaudes utilisent les données à température ambiante pour simuler des atmosphères avec une température généralement comprise entre 500 et 2000 K. Il en résulte une incertitude sur les abondances chimiques prédites. Pour palier au manque de données et réduire l’incertitude sur les abondances prédites par les modèles cinétiques, nous avons entrepris depuis plusieurs années de mesurer expérimentalement la dépendance thermique des sections efficaces VUV des principales molécules d’intérêt atmosphérique. Plusieurs campagnes de mesures au centre de rayonnement synchrotron BESSY (Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung, Berlin) nous ont permis d’étudier le dioxyde de carbone (CO2) entre 150 et 800 K sur la gamme 115-230 nm (Venot+2013, 2018a). Nous avons observé une augmentation importante de l’absorption avec la température (Figure 1).

 

 

Figure 1: Section efficace d'absorption du dioxyde de carbone à différentes températures entre 150 et 800 K. Tiré de Venot+2018a.

 

 

 

Ces nouvelles données ont un fort impact sur les prédictions des modèles cinétiques (Venot+2013, 2018a). Par exemple, nous avons montré que les abondances de nombreuses espèces sont modifiées de plusieurs ordres de grandeur lorsque l’on utilise la section efficace du CO2 correspondant à la température de l’atmosphère modélisée au lieu de celle à température ambiante (Figure 2). Ces résultats prouvent à quel point les molécules sont liées les unes aux autres et qu’il est indispensable d’étudier l’absorption à haute température des autres espèces chimiques.

 

 

Figure 2: Profils verticaux d'abondances de certaines molécules (CO2, H, H2O, CH4, OH et CH3) déterminés avec le modèle cinétique. Pour le CO2, différentes sections efficaces ont été utilisées : à température ambiante (trait plein), à 800 K (pointillé) et une formulation analytique (tiret-point) déterminée à partir des mesures. Tiré de Venot+2018a.

 

 

Pour poursuivre ces mesures, nous développons une plateforme de spectroscopie VUV au sein même de notre laboratoire (dans la Maison de l’Environnement). Cette plateforme est en cours de montage et sera opérationnelle à l’été 2019. La gamme spectrale que couvrent les instruments (de 50 à 300 nm) nous permettra d’étudier la variation thermique des sections efficaces VUV des principales molécules d’intérêt atmosphérique. Ces données seront intégrées au fur et à mesure dans notre modèle cinétique 1D. Elles seront également publiées et mises à disposition de la communauté scientifique.

 

 

Contact LISA: Olivia Venot

 

Financement et date: DIM-ACAV / OSU EFFLUVE / CNES - 2018 à ????

 

Publications de l’équipe

 

- Olivia Venot, Drummond, B., Miguel, Y., Waldmann, I. P., Pascale, E., Zingales, T, A better characterization of the chemical composition of exoplanets atmospheres with ARIEL, Experimental Astronomy, 46, 101-134, https://doi.org/10.1007/s10686-018-9597-y, 2018

 

- Olivia Venot, Yves Benilan, Nicolas Fray, Marie-Claire Gazeau, Lefèvre, F.; Es-sebbar, Et.; Hébrard, E., Martin Schwell, Chiheb Bahrini, Montmessin, F., Maxence Lefevre, Waldmann, I. P., VUV-absorption cross section of carbon dioxide from 150 to 800 K and applications to warm exoplanetary atmospheres, Astronomy & Astrophysics, 609, A34, https://doi.org/10.1051/0004-6361/201731295, 2018