L’affinement des modèles d’opacité actuels sera essentiel pour découvrir les détails des propriétés des exoplanètes – et des signes de vie – dans les données du puissant nouveau télescope


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  • Le télescope spatial James Webb de la NASA révèle l’univers avec une clarté spectaculaire et sans précédent. La vision infrarouge ultra-nette de l’observatoire a traversé la poussière cosmique pour illuminer certaines des premières structures de l’univers, ainsi que des pépinières stellaires précédemment obscurcies et des galaxies en rotation situées à des centaines de millions d’années-lumière.

    En plus de voir plus loin dans l’univers que jamais auparavant, Webb capturera la vue la plus complète des objets de notre propre galaxie, à savoir certaines des 5 000 planètes découvertes dans la Voie lactée. Les astronomes exploitent la précision d’analyse de la lumière du télescope pour décoder les atmosphères entourant certains de ces mondes proches. Les propriétés de leurs atmosphères pourraient donner des indices sur la façon dont une planète s’est formée et si elle abrite des signes de vie.

    Mais une nouvelle étude du MIT suggère que les outils que les astronomes utilisent généralement pour décoder les signaux basés sur la lumière peuvent ne pas être assez bons pour interpréter avec précision les données du nouveau télescope. Plus précisément, les modèles d’opacité – les outils qui modélisent la façon dont la lumière interagit avec la matière en fonction des propriétés de la matière – peuvent nécessiter un réajustement important afin de correspondre à la précision des données de Webb, selon les chercheurs.

    Si ces modèles ne sont pas raffinés ? Les chercheurs prédisent que les propriétés des atmosphères planétaires, telles que leur température, leur pression et leur composition élémentaire, pourraient être différentes d’un ordre de grandeur.

    « Il existe une différence scientifiquement significative entre un composé comme l’eau présent à 5 % contre 25 %, ce que les modèles actuels ne peuvent pas différencier », déclare Julien de Wit, co-responsable de l’étude, professeur adjoint au Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes du MIT. (EAPS).

    « Actuellement, le modèle que nous utilisons pour décrypter les informations spectrales n’est pas à la hauteur de la précision et de la qualité des données que nous avons du télescope James Webb », ajoute Prajwal Niraula, étudiant diplômé de l’EAPS. « Nous devons améliorer notre jeu et nous attaquer ensemble au problème de l’opacité. »

    De Wit, Niraula et leurs collègues ont publié leur étude dans Astronomie naturelle. Les co-auteurs incluent des experts en spectroscopie Iouli Gordon, Robert Hargreaves, Clara Sousa-Silva et Roman Kochanov du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

    Mise à niveau

    L’opacité est une mesure de la facilité avec laquelle les photons traversent un matériau. Les photons de certaines longueurs d’onde peuvent traverser directement un matériau, être absorbés ou réfléchis selon qu’ils interagissent avec certaines molécules au sein d’un matériau et comment. Cette interaction dépend également de la température et de la pression d’un matériau.

    Un modèle d’opacité fonctionne sur la base de diverses hypothèses sur la façon dont la lumière interagit avec la matière. Les astronomes utilisent des modèles d’opacité pour dériver certaines propriétés d’un matériau, compte tenu du spectre de lumière émis par le matériau. Dans le contexte des explanètes, un modèle d’opacité peut décoder le type et l’abondance des produits chimiques dans l’atmosphère d’une planète, sur la base de la lumière de la planète capturée par un télescope.

    De Wit dit que le modèle d’opacité de pointe actuel, qu’il compare à un outil de traduction de langue classique, a fait un travail décent de décodage des données spectrales prises par des instruments tels que ceux du télescope spatial Hubble.

    « Jusqu’à présent, cette pierre de Rosetta s’est bien comportée », a déclaré de Wit. « Mais maintenant que nous passons au niveau supérieur avec la précision de Webb, notre processus de traduction nous empêchera de saisir des subtilités importantes, telles que celles qui font la différence entre une planète habitable ou non. »

    Léger, perturbé

    Lui et ses collègues soulignent ce point dans leur étude, dans laquelle ils mettent à l’épreuve le modèle d’opacité le plus couramment utilisé. L’équipe a cherché à voir quelles propriétés atmosphériques le modèle dériverait s’il était modifié pour assumer certaines limites dans notre compréhension de la façon dont la lumière et la matière interagissent. Les chercheurs ont créé huit de ces modèles « perturbés ». Ils ont ensuite alimenté chaque modèle, y compris la version réelle, des « spectres synthétiques » – des modèles de lumière qui ont été simulés par le groupe et similaires à la précision que le télescope James Webb verrait.

    Ils ont découvert que, sur la base des mêmes spectres lumineux, chaque modèle perturbé produisait des prédictions à grande échelle pour les propriétés de l’atmosphère d’une planète. Sur la base de leur analyse, l’équipe conclut que, si les modèles d’opacité existants sont appliqués aux spectres lumineux pris par le télescope Webb, ils atteindront un « mur de précision ». Autrement dit, ils ne seront pas assez sensibles pour dire si une planète a une température atmosphérique de 300 Kelvin ou 600 Kelvin, ou si un certain gaz occupe 5 % ou 25 % d’une couche atmosphérique.

    « Cette différence est importante pour nous permettre de limiter les mécanismes de formation planétaire et d’identifier de manière fiable les biosignatures », déclare Niraula.

    L’équipe a également constaté que chaque modèle produisait également un « bon ajustement » avec les données, ce qui signifie que même si un modèle perturbé produisait une composition chimique que les chercheurs savaient incorrecte, il générait également un spectre lumineux à partir de cette composition chimique qui était proche. assez pour, ou « s’adapter » au spectre d’origine.

    « Nous avons constaté qu’il y avait suffisamment de paramètres à modifier, même avec un mauvais modèle, pour obtenir un bon ajustement, ce qui signifie que vous ne sauriez pas que votre modèle est erroné et que ce qu’il vous dit est faux », explique de Wit.

    Lui et ses collègues ont soulevé quelques idées sur la façon d’améliorer les modèles d’opacité existants, y compris la nécessité de plus de mesures de laboratoire et de calculs théoriques pour affiner les hypothèses des modèles sur la façon dont la lumière et diverses molécules interagissent, ainsi que des collaborations entre disciplines, et en particulier, entre astronomie et spectroscopie.

    « Il y a tellement de choses qui pourraient être faites si nous savions parfaitement comment la lumière et la matière interagissent », déclare Niraula. « Nous le savons assez bien autour des conditions de la Terre, mais dès que nous nous déplaçons vers différents types d’atmosphères, les choses changent, et c’est beaucoup de données, de qualité croissante, que nous risquons de mal interpréter. »

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