Situé au cœur du NASC Center for Climate Simulation (NCCS) - qui fait partie du Goddard Space Flight Center de la NASA - se trouve le supercalculateur Discover, un cluster de 129 000 cœurs de processeurs Linux. Ce supercalculateur, capable de réaliser 6,8 pétaflops (6,8 trillions) d'opérations par seconde, est chargé d'exécuter des modèles climatiques sophistiqués pour prédire à quoi ressemblera le climat de la Terre à l'avenir.
Cependant, le NCCS a également commencé à consacrer une partie de la puissance de calcul intensif du Discover pour prédire les conditions qui pourraient être sur l'une des plus de 4000 planètes découvertes au-delà de notre système solaire. Non seulement ces simulations ont montré que beaucoup de ces planètes pouvaient être habitables, mais elles sont une preuve supplémentaire que nos notions mêmes d '«habitabilité» pourraient utiliser une réflexion.
Malgré le grand nombre de découvertes d'exoplanètes qui ont eu lieu au cours de la dernière décennie, les scientifiques sont toujours obligés de s'appuyer sur des modèles climatiques pour déterminer lesquels d'entre eux pourraient être «potentiellement habitables». À l'heure actuelle, l'exploration de ces planètes via un vaisseau spatial est complètement impraticable en raison des distances importantes impliquées.
Comme nous l'avons abordé dans un article précédent, il faudrait entre 19 000 et 81 000 ans pour atteindre le système stellaire le plus proche (Alpha Centauri) en utilisant les méthodes et la technologie actuelles. De plus, l'observation directe des exoplanètes n'est possible que dans de rares cas en utilisant les télescopes d'aujourd'hui, ce qui implique généralement des planètes massives qui tournent autour de leurs étoiles à une grande distance. Ces planètes ont tendance à être des géantes gazeuses et ne sont donc pas candidates à l'habitabilité.
Dans tous les cas, les astronomes ont découvert que toutes les planètes qui ont été observées au-delà de notre système solaire sont de nature assez éclectique. Pour la plupart, les 4108 exoplanètes qui ont été confirmées à ce jour sont soit des géantes gazeuses de type Neptune (1375), des géantes gazeuses de type Jupiter (1293) ou des Super-Terres (1273). Seules 161 exoplanètes étaient de nature terrestre (alias rocheuses ou «semblables à la Terre»), toutes trouvées autour d'étoiles de type M (naine rouge).
Comme Elisa Quintana - une astrophysicienne Goddard de la NASA qui a dirigé l'équipe responsable de la découverte en 2014 de Kepler-186f, la première planète de la taille d'une Terre dans une zone habitable (HZ) - a expliqué:
«Pendant longtemps, les scientifiques se sont vraiment concentrés sur la recherche de systèmes semblables au Soleil et à la Terre. C’est tout ce que nous savions. Mais nous avons découvert qu'il y a toute cette diversité folle dans les planètes. Nous avons trouvé des planètes aussi petites que la Lune. Nous avons trouvé des planètes géantes. Et nous en avons trouvé qui tournent autour de minuscules étoiles, d'étoiles géantes et de plusieurs étoiles. »
La découverte de planètes terrestres qui orbitent dans les HZ des naines rouges a d'abord été une source de grande excitation. Non seulement ces étoiles sont les plus courantes dans notre univers - représentant 85% des étoiles dans la seule voie lactée - mais plusieurs ont été trouvées en orbite autour d'étoiles qui sont à proximité du système solaire.
Cela comprend les trois planètes qui orbitent dans la HZ de TRAPPIST-1 (à 39,46 années-lumière) et de Proxima b, l'exoplanète la plus proche de la Terre (à 4,24 années-lumière). Malheureusement, de nombreuses études ont été menées ces dernières années qui ont indiqué que ces planètes auraient du mal à maintenir une atmosphère viable au fil du temps.
Pour le dire simplement, le fait qu'ils soient plus petits et plus froids signifie que les naines rouges ont des HZ beaucoup plus proches de leurs surfaces. Cela signifie que toute planète en orbite avec le HZ d'une naine rouge est susceptible d'être verrouillée par les marées avec eux, ce qui signifie qu'un côté est constamment tourné vers l'étoile et à l'extrémité de réception de toute la chaleur, le rayonnement et le vent solaire de l'étoile.
La question de savoir si ces planètes pourraient être habitables dépend donc d'un certain nombre de facteurs, tels que la présence d'une atmosphère dense, la présence d'une magnétosphère et les abondances chimiques appropriées. Au lieu de pouvoir voir directement les planètes et de vérifier que ces ingrédients pour la vie (aka. Biosignatures) existent, les scientifiques s'appuient sur des modèles climatiques pour aider à la recherche d'exoplanètes «potentiellement habitables».
Selon Karl Stapelfeldt, scientifique exoplanétaire en chef de la NASA basé au Jet Propulsion Laboratory, la capacité de modéliser les climats sur d'autres planètes est absolument essentielle. à l'avenir de l'exploration spatiale "Les modèles font des prévisions spécifiques et vérifiables de ce que nous devrions voir", a-t-il déclaré. «Celles-ci sont très importantes pour la conception de nos futurs télescopes et stratégies d'observation.»
En termes simples, la modélisation du climat implique de créer une simulation de ce à quoi ressemblera le climat de la Terre (ou d'une autre planète) en fonction de conditions spécifiques et / ou de changements environnementaux. Pendant des années, ce travail a été réalisé par Anthony Del Genio, un scientifique du climat planétaire récemment retraité au Goddard Institute for Space Studies de la NASA. Au cours de sa carrière, Del Genio a effectué des simulations climatiques impliquant la Terre et d'autres planètes (y compris Proxima b).
Pour récapituler, Proxima b est à peu près de la même taille que la Terre et au moins 1,3 fois plus massive. Il orbite autour de son étoile (Proxima Centauri) une fois tous les 11,2 jours terrestres et à une distance de 0,05 UA (5% de la distance entre la Terre et le Soleil). À cette distance, la planète est susceptible d'être bloquée par gravité sur son étoile, un côté étant constamment exposé au rayonnement intense de l'étoile tandis que l'autre est soumis à une obscurité constante et à des températures glaciales.
Cependant, l’équipe de Del Genio a récemment simulé une nouvelle fois les climats possibles sur Proxima b pour tester combien créeraient un environnement chaud et humide capable de soutenir la vie. Il est intéressant de noter que ces simulations ont montré que des planètes comme Proxima b pouvaient en fait être habitables malgré le verrouillage de la marée et tous les rayonnements d'un côté.
Pour effectuer ces simulations, l'équipe de Del Genio a utilisé le supercalculateur Discover pour exécuter un simulateur planétaire qu'ils ont développé eux-mêmes - appelé ROCKE-3D. Ce simulateur est basé sur une version du modèle climatique de la Terre qui a été développé pour la première fois dans les années 1970 et mis à niveau afin de pouvoir simuler les climats sur d'autres planètes, en partie en fonction des types d'orbites qu'ils pourraient avoir et de leurs compositions atmosphériques.
Pour chaque simulation, l'équipe de Del Genio a varié les conditions sur Proxima b pour voir comment cela affecterait son climat. Cela comprenait l'ajustement des types et des quantités de gaz à effet de serre dans son atmosphère, la profondeur, la taille et la salinité de ses océans, et le rapport de la terre à l'eau. De là, ils ont pu voir comment les nuages et les océans circuleraient et comment le rayonnement du soleil de la planète interagirait avec l'atmosphère et la surface de Proxima b.
Ils ont découvert que la couche de nuages hypothétique de Proxima b ferait office de bouclier, détournant le rayonnement solaire de la surface et abaissant la température du côté exposé au soleil de Proxima b. Cela est cohérent avec les recherches menées par les scientifiques Sellers Exoplanet Environments Collaboration (SEEC) de la NASA Goddard qui ont montré comment Proxima b pouvait former des nuages si massifs qu'ils couvriraient tout le ciel.
Comme l'explique Ravi Kopparapu, un scientifique planétaire Goddard de la NASA qui modélise également les climats potentiels des exoplanètes:
«Si une planète est verrouillée par gravité et tourne lentement sur son axe, un cercle de nuages se forme devant l'étoile, pointant toujours vers elle. Cela est dû à une force connue sous le nom d'effet Coriolis, qui provoque une convection à l'endroit où l'étoile chauffe l'atmosphère. Notre modélisation montre que Proxima b pourrait ressembler à ceci. »
Parallèlement à la circulation océanique, ce cercle de nuages signifierait également que l'air chaud et l'eau pouvaient se déplacer vers le côté obscur de la planète, réalisant ainsi un transfert de chaleur et rendant la planète entière plus hospitalière. «Ainsi, non seulement vous empêchez l'atmosphère du côté nocturne de geler, vous créez des parties du côté nuit qui maintiennent en fait de l'eau liquide à la surface, même si ces parties ne voient pas de lumière», a déclaré Del Genio.
En plus de faire circuler et de maintenir la chaleur, les atmosphères et les courants océaniques sont également responsables de la distribution des gaz et des éléments chimiques nécessaires à la vie telle que nous la connaissons - par exemple. l'oxygène gazeux, le dioxyde de carbone, le méthane, etc. Ils sont appelés «biosignatures» car ils sont soit essentiels à la vie ici sur Terre, soit associés à des processus biologiques.
Cependant, «tel que nous le connaissons» est le mot clé ici. À l'heure actuelle, la Terre reste la seule planète habitable connue et les diverses formes de vie qu'elle supporte sont les seuls exemples que nous connaissons. En tant que tel, la recherche de vie au-delà de la Terre se limite actuellement à la recherche de biosignatures qui sont nécessaires (et associées à des formes de vie connues). C'est ce que nous appelons «l'approche des fruits bas».
Qui plus est, la Terre a considérablement évolué au cours des derniers milliards d'années, tout comme les formes de vie qui l'ont appelée chez elle. Alors qu'aujourd'hui, l'oxygène gazeux est essentiel pour les créatures mammifères, il aurait été toxique pour les bactéries photosynthétiques qui prospéraient dans une atmosphère principalement de dioxyde de carbone et d'azote gazeux qui existait sur Terre il y a des milliards d'années.
Ainsi, bien que ce type de modélisation ne puisse pas dire avec certitude si une planète est habitée, il peut certainement aider à affiner la recherche en montrant quels candidats sont des cibles prometteuses pour les observations de suivi. "Bien que notre travail ne puisse pas dire aux observateurs si une planète est habitable ou non, nous pouvons leur dire si une planète se situe au milieu des bons candidats pour aller plus loin", a déclaré Del Genio.
Cela sera particulièrement utile dans les années à venir lorsque les télescopes de nouvelle génération prendront place dans l'espace. Il s'agit notamment du James Webb Space Telescope, dont le lancement est prévu en 2021, et du Wide-Field Infrared Space Telescope (WFIRST), qui sera lancé en 2023. Avec des observatoires au sol comme le Extremely Large Telescope (ELT), ces Les instruments permettront aux scientifiques d'observer directement des planètes plus petites pour la première fois.
Des coronographes comme le Starshade feront également une grande différence en noyant la lumière des étoiles, qui obscurcit autrement la lumière réfléchie par l'atmosphère d'une planète. Ces développements et d'autres signifient que les astronomes pourront également étudier l'atmosphère des exoplanètes rocheuses, ce qui leur permettra enfin de dire avec confiance quelles planètes sont «potentiellement habitables».
N'oubliez pas de regarder cette animation de ce à quoi pourrait ressembler le climat de Proxima b, gracieuseté de l'équipe de Del Genio et du NASD Goddard Space Flight Center:
