03/02/2015

La rotation asynchrone des exoplanètes telluriques et leur zone habitable

Les planètes situées dans la zone habitable d'une étoile de faible masse sont souvent considérées être en rotation synchrone autour de leur étoile, dû à un effet de marée important, car à relativement faible distance de leur étoile. Une rotation synchrone est la situation dans laquelle la rotation d'une planète sur elle-même est synchronisée sur sa rotation orbitale : elle fait un tour sur elle-même dans la même durée qu'elle fait une orbite autour de son étoile.


Atmosphère de Vénus, imagée en UV par
la sonde Pionner Venus Orbiter en 1979 (NASA)
Une rotation synchrone pour une planète pourrait affecter considérablement son habitabilité potentielle. Mais une nouvelle étude qui vient de paraître dans la revue américaine Science montre que la synchronisation n'est peut-être pas si fréquente, grâce aux effets atmosphériques des planètes.
On sait par exemple que Vénus possède une rotation rétrograde qui est provoquée par son atmosphère très dense, plus exactement par un effet de marée thermique. L'effet de marée thermique est un effet d'entrainement de la croûte planétaire par son atmosphère, qui est, elle, mise en mouvement par les variations de température produites par l'alternance jour/nuit.  De grandes masses atmosphériques ont un mouvement d'oscillation qui suit le cycle diurne, et ont un effet direct sur la rotation de la croûte par friction.
Mais, alors que les effets de marée classiques, qui ont également lieu à l'intérieur de la croûte de la planète, ont tendance à synchroniser la rotation de la planète sur elle-même avec sa rotation orbitale (comme ce que l'on voit tous les jours à une autre échelle entre la Lune et la Terre), l'effet de marée thermique, lui, produit une désynchronisation, car les mouvements atmosphériques sont légèrement décalés par rapport au passage jour/nuit du simple fait de l'inertie thermique qui existe dans l'atmosphère.

L'équipe menée par Jérémy Leconte au Canadian Institute for Theoretical Astrophysics, de l'Université de Toronto, montre, en utilisant un modèle climatique global, que même une atmosphère relativement mince peut éloigner la rotation d'une planète tellurique d'une rotation synchrone.
Grâce à leur modèle, les planétologues peuvent en déduire un modèle de marée beaucoup plus réaliste, qui prédit l'existence de quatre états d'équilibre rotationnel asynchrones, dont deux sont stables. Ces deux  états d'équilibre stables sont atteints quand l'amplitude des marées thermiques dépasse un certain seuil, qui est rencontré pour les planètes telluriques habitables possédant une pression atmosphérique de 1 bar et tournent autour d'une étoile plus massive que 0,7 masse solaire. 
Cette limite baisse même jusqu'à 0,3 masse solaire si la pression atmosphérique vaut 10 bar.

Ainsi, de nombreuses planètes semblables à la Terre récemment découvertes, peuvent avoir une rotation asynchrone sur leur orbite, même si elles ne possèdent qu'une très mince atmosphère. C'est particulièrement le cas à la frontière externe des zones habitables où les planètes sont le plus souvent pourvues d'atmosphères de CO2 de plusieurs bar de pression atmosphérique. Les conséquences de cette trouvaille sont multiples. Une rotation synchrone signifie qu'un hémisphère reste constamment dans la nuit, au froid. Mais si la plupart des planètes sont finalement asynchrones, cela implique qu'elles seraient plus habitables que ce que l'on pouvait penser, toute la surface pouvant être éclairée dans un cycle diurne/nocturne.

D'un autre côté, les planétologues pensaient que la zone habitable pouvait s'étendre assez près d'une étoile si la planète était synchrone, gardant alors un hémisphère pas trop chaud même à proximité de l'étoile (celui qui reste à l'ombre). Mais s'il s'avère qu'elles sont plutôt asynchrones, donc ayant une alternance jour/nuit sur toute leur surface, elles en deviennent alors moins habitables, puisque les deux hémisphères subissent alors de très fortes températures périodiquement. L'effet de marée thermique qui empêche les planètes ayant une atmosphère de devenir synchrones dans leur révolution orbitale a donc pour conséquence de modifier l'étendue de la zone habitable, celle-ci s'éloignant de l'étoile.

Jérémy Leconte et ses collègues concluent leur article en proposant d'inverser le phénomène étudié et d'utiliser l'observation de la rotation des exoplanètes pour en déduire la présence et les caractéristiques d'une éventuelle atmosphère... Un bel exemple de résultat de modélisation mis au service de futures méthodes d'observation avancées.


Source : 
Asynchronous rotation of Earth-mass planets in the habitable zone of lower mass stars
J. Leconte et al.
Science Express (15 january 2015)