Le matin, le soleil perce et il fait environ 2400 degrés Celsius. Il reste sec partout. Le soir, les nuages augmentent progressivement et il y a un risque d’averse de fer en fusion, accompagnée de rafales de vent de 11 800 kilomètres à l’heure.
Voici à quoi ressemblerait un bulletin météorologique sur WASP-76b, une planète dans un autre système solaire, à environ 600 années-lumière.
L’univers a d’innombrables planètes avec des douches invivables. Il pleut donc probablement du fer sur WASP-76b. Et encore plus près, dans notre propre système solaire, le temps n’est pas agréable partout. Notre voisine cosmique Vénus a des nuages de soufre toxiques et Mars est parfois complètement enveloppée dans une énorme tempête de poussière pendant des semaines.
À quel point notre temps est-il « normal » sur Terre ? Nous avons de la pluie et de la neige provenant de l’eau, une température moyenne agréable d’environ 15°C et aux Pays-Bas une vitesse moyenne du vent inférieure à 20 kilomètres par heure ? Est-ce une exception ?
Pour répondre à cette question, les scientifiques effectuent des calculs et des mesures sur des planètes extérieures à notre système solaire, appelées exoplanètes. Yamila Miguel, chercheuse sur les exoplanètes à l’Institut néerlandais de recherche spatiale (SRON) à Leiden : « Mais plus nous regardons loin, plus le temps est étrange. »
Au SRON, des mètres de satellites de grande taille sont suspendus au plafond. La feuille d’aluminium dessus reflète le soleil du matin. Michiel Min, le collègue de Miguel, entre dans son bureau. Sur son bureau se trouve une maquette de Jupiter, de la taille d’un ballon de football. « La physique derrière la météo fonctionne de la même manière sur toutes les planètes. Il doit y avoir de la variété, une différence de température, à travers laquelle l’air commence à circuler. Cela peut entraîner des cycles de pluie. Lorsqu’il se réchauffe localement, des substances solides ou liquides commencent à s’évaporer et des nuages se forment. Ici sur terre c’est de l’eau. Lorsque le nuage se refroidit à nouveau, cette vapeur se condense et des gouttelettes de liquide se forment. Quand ils sont assez lourds, ils pleuvent à nouveau. Cela crée un cycle météorologique. Mais que ce soit de l’eau ou autre chose dépend de la pression et de la température sur la planète. Chaque matériau a ses propres températures auxquelles il s’évapore et se condense. C’est l’idée de base.
Nous ne comprenons toujours pas pourquoi certaines tornades restent petites alors que d’autres se transforment en énormes tempêtes de poussière
Daphné Stam explorateur de planète
Bien que les scientifiques comprennent la physique du temps, il existe des phénomènes météorologiques déroutants sur nos planètes voisines. Les scientifiques ont une idée raisonnable de la météo sur Mars, grâce aux sondes spatiales sans pilote. La planète rouge a de fins nuages de glace d’eau, mais pas de pluie d’eau. Comme sur Terre, il y a quatre saisons. En hiver, des nuages de dioxyde de carbone gelé flottent dans l’air. « L’atmosphère de Mars se compose en grande partie de CO2 et en hiver il se refroidit tellement que le CO2le gaz gèle », explique au téléphone la chercheuse planétaire Daphne Stam de la TU Delft. „CO congelé2 tombe alors comme de la neige sèche à la surface. Les tornades de poussière sont créées au printemps en raison du réchauffement. « Nous ne comprenons toujours pas pourquoi certaines tornades restent petites tandis que d’autres se transforment en énormes tempêtes de poussière qui peuvent envelopper la planète entière pendant des semaines. Ces grands sont même visibles avec des télescopes depuis la Terre. Mars ressemble alors à une sphère rose-rouge uniforme sans les taches de surface sombres habituelles.
Autre grande énigme : comment Vénus peut-elle avoir un temps aussi infernal ? La Terre et Vénus sont nées proches l’une de l’autre il y a environ quatre milliards et demi d’années dans le même disque de gaz et de poussière qui tournait autour du jeune soleil, ce qui en fait presque le même matériau. Ils sont aussi presque de la même taille. « Bien que Vénus soit plus proche du soleil et reçoive donc plus de lumière, les scientifiques ont longtemps cru que le temps sur Terre et sur Vénus serait similaire. Mais ce n’est pas le cas. » Vénus a un CO épais2 atmosphère avec un effet de serre extrême et des nuages composés à 75 % d’acide sulfurique toxique. La couverture nuageuse retient la chaleur, la faisant presque 500 degrés Celsius partout. « La surface de Vénus est encore plus chaude que celle de Mercure, qui est la plus proche du soleil. Les nuages soufflent également très vite autour de Vénus, ce qu’aucun modèle météorologique n’a encore été en mesure d’expliquer.
Le télescope spatial Hubble
À Leiden, au SRON, Min attrape un stylo et du papier pour expliquer comment les scientifiques étudient la météo sur les exoplanètes. « Maintenant, nous utilisons des calculs de modèles et, si le signal est suffisamment fort, des observations du télescope spatial Hubble. » Il dessine un grand cercle avec un cercle plus petit devant. « Regardez, ce grand cercle est une étoile et une exoplanète orbite autour de lui. Lorsque la planète – vue de la Terre – passe devant son étoile mère, de la lumière stellaire s’infiltre à travers l’atmosphère de l’exoplanète jusqu’à la Terre. Nous pouvons capturer cette lumière avec Hubble. Mais lorsque la planète est directement devant l’étoile, les astronomes regardent toujours le côté nuit, le côté éloigné de l’étoile. Pour lire la météo, ils regardent la différence d’atmosphère entre les côtés matin et soir de l’exoplanète. « Lorsque la planète, de notre point de vue, commence à passer juste devant son étoile, nous regardons l’atmosphère du côté du matin. Quand il disparaît presque à droite, du côté du soir.
« Voir. » Min ouvre son ordinateur portable. Sur son écran se trouvent un certain nombre de lignes colorées avec des pics et des vallées. Au-dessus, il est écrit « HD 189733b ». C’est une gigantesque exoplanète gazeuse à 63 années-lumière de la Terre. « Ce sont nos modèles de simulations de la différence entre un signal lumineux de l’atmosphère du soir et du matin. » Pour cette planète, les chercheurs n’ont pas encore d’observations pour faire la différence entre les côtés du matin et du soir. Le télescope spatial James Webb nouvellement lancé devrait commencer à prendre ces images plus tard cette année. « Jusque-là, nous n’avons que des études de modèles pour cette planète sur ce à quoi nous nous attendons à ce que ces observations ressemblent.
On ne saura que dans quelques mois s’il pleut du verre ou du cristal
Michel Min astronome
Les graphiques montrent que quelque chose du côté du soir bloque la lumière des étoiles. Ce sont des nuages. Du côté du matin ces nuages ont disparu. Cela indique que les nuages se condensent et pleuvent la nuit.
Pour savoir ce qui pleut, Min et ses collègues ont construit un autre modèle, un modèle de formation des nuages. Ce modèle est comparable aux modèles que les météorologues utilisent pour la Terre, mais moins détaillé. « Nous connaissons la composition chimique de la planète et les conditions. » Du côté jour de la planète, il fera environ 930°C. Il n’est qu’à trois millions de kilomètres de son étoile mère. C’est vingt fois plus proche que la Terre est du soleil. De plus, le même côté fait toujours face au soleil. En conséquence, il fait toujours jour sur une moitié, où il ne se refroidit jamais. Et le côté nuit ne chauffe jamais, il y fait environ 260°C de moins que le côté jour. « Nous utilisons le modèle pour calculer comment ces éléments chimiques se comportent sous cette différence de température. »
Pluie de verre ou de cristal
Et devine quoi? Il pleut probablement du verre ou du cristal. « Du côté jour, il fait suffisamment chaud pour que les particules de silicate de la planète s’évaporent et forment des nuages. Du côté nuit, il fait suffisamment froid pour que les particules pleuvent. Les particules de silicate qui se condensent peuvent former du verre ou du cristal, selon la vitesse de cette condensation.
Les résultats de l’étude du modèle sont cohérents avec les observations précédentes. Le télescope spatial Hubble a déjà vu en 2013 que la planète avait une couleur bleu azur. Les particules de verre reflètent la lumière bleue et pourraient donner sa couleur à la planète. Min: « Qu’il pleuve du verre ou du cristal, nous ne le saurons avec certitude que dans quelques mois grâce aux observations de James Webb. »
Il ressort des calculs de Min et de ses collègues que les particules de cristal ou de verre pleuvent lorsqu’elles mesurent de un à cinq millimètres. « La taille dépend du poids que les gouttelettes doivent avoir pour tomber et cela dépend à son tour de la mobilité de l’atmosphère. Plus il y a de mouvement, plus ils collent longtemps.
Les exoplanètes chaudes sont beaucoup plus faciles à trouver
Yamila Miguel astronome
Et il y a plus que ça. En raison de la grande différence de température entre le côté jour et le côté nuit, le vent sur HD 189733b est d’environ 7 000 à 8 000 km/h. En comparaison, le vent le plus fort jamais mesuré sur Terre était de 408 km/h . En raison du vent fort, les gouttes ne tombent probablement pas directement, mais presque horizontalement. Les mêmes vents poussent les nuages de silicate du côté jour vers le côté nuit.
Et qu’est-ce qu’il pleut sur une planète encore plus chaude ? En 2016, Don Pollacco de l’Université de Warwick et son équipe ont découvert l’exoplanète WASP-76b. Cette géante gazeuse fait près de deux fois la taille de Jupiter et orbite autour de son étoile mère à environ 640 années-lumière. De plus cette planète a toujours le même côté face à l’étoile. Cela et la proximité de son étoile mère la rendent étouffante : environ 2 400 °C du côté jour. En 2020, David Ehrenreich de l’Université de Genève a vu des nuages de vapeur de fer du côté soir de la planète avec le très grand télescope européen au Chili. Ces nuages avaient de nouveau disparu du côté du matin. Le chercheur sur les exoplanètes Ignas Snellen de l’Université de Leiden déclare par téléphone : « L’explication la plus logique est que la vapeur de fer se condense et pleut du côté nuit, où il fait environ 1 000 °C de moins. Ce doivent être des cuirassés infernaux. Le vent souffle probablement ici à 18 000 kilomètres à l’heure.
Image déformée
Jusqu’à présent, les astronomes n’ont trouvé aucune autre planète avec un temps comme la Terre, mais c’est pour une raison. Sur le bureau de la collègue de Min, Yamila Miguel, se trouve une boîte de mouchoirs avec une étoile imprimée et dans son placard se trouve un ensemble Lego de Women in Science. « Nous obtenons une image déformée à cause de la technologie actuelle avec laquelle nous recherchons des exoplanètes. Avec cela, nous ne trouvons pas d’exoplanètes froides comme la Terre, mais seulement des planètes chaudes et infernales comme Vénus et plus extrêmes. Voici comment cela fonctionne : « Les orbites des planètes qui orbitent plus près de leur soleil, et sont donc chaudes, sont plus courtes et passent donc plus souvent devant son étoile mère qu’une planète éloignée de son étoile mère. Les exoplanètes chaudes sont donc beaucoup plus faciles à trouver.
Il existe cependant un endroit froid plus près de chez nous avec une surface dure sur laquelle quelque chose de liquide peut pleuvoir, comme sur Terre. C’est Titan, la plus grande lune de Saturne. Stam de Delft : « C’est la seule lune connue avec une véritable atmosphère brumeuse : elle est même une fois et demie plus épaisse que celle de la Terre. » Titan a une température de 197 degrés en dessous de zéro et le ciel est rempli de brumes denses de couleur orange et de nuages de méthane et d’éthane. Depuis 2004, lorsque la mission spatiale Cassini a pu voir à travers les nébuleuses avec un équipement radar, le pôle Nord de Titan est connu pour contenir des lacs de méthane et d’éthane liquides. « En raison des basses températures sur Titan, l’eau présente est plus dure que les roches, mais des substances telles que le méthane et l’éthane sont liquides en dessous de cette température, peuvent s’évaporer, se condenser en cumulus et précipiter à nouveau. Mais il n’est pas encore certain que cette condensation se produise sous forme de condensation ou sous forme de gouttes de pluie.
Mais est-ce qu’il pleut de l’eau quelque part ? Miguel : « L’eau n’est pas unique. Au moins quinze exoplanètes ont été trouvées avec de la vapeur d’eau dans l’atmosphère. Min : « Et purement sur la base de la probabilité, vous vous attendriez à ce que quelque part dans l’univers les conditions soient telles que les températures puissent provoquer la condensation et l’évaporation de l’eau, provoquant un cycle de pluie provient de l’eau. On estime que la Voie Lactée contient à elle seule des centaines de milliards d’étoiles. Et chaque étoile a au moins une planète. Snellen : « La Terre est la seule planète que nous connaissons avec un temps habitable pour le moment. »