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LE 11.01.2020: Actualité de la météo,de l'astronomie et de la science/ Comment les planètes obtiennent-elles leur eau?

Mondes de l'eau dans la Voie lactée

Comment les planètes obtiennent-elles leur eau? Les scientifiques recherchent des preuves à la lumière de naines blanches.

Par Nola Taylor Redd  | Publication: jeudi 13 septembre 2018

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Une planète entre dans la dernière phase de sa spirale de mort dans la naine blanche en orbite. Pendant quelques années, le nuage de débris résultant changera le spectre de la naine blanche.

Mark Garlick pour l'astronomie

En ce qui concerne les exoplanètes, la recherche d'eau est primordiale, grâce à son rôle vital dans l'évolution de la vie telle que nous la connaissons. Cependant, trouver le liquide vital dans d'autres mondes est un défi permanent.

Pendant près d'une décennie, les scientifiques ont sondé la composition des planètes alors que les mondes sont déchiquetés et consommés par les étoiles naines blanches. Parce que les éléments lourds coulent rapidement sous la surface stellaire riche en hydrogène et en hélium, tous les métaux (tous les éléments ne sont pas l'hydrogène ou l'hélium) détectés dans l'étoile doivent provenir de débris planétaires qui y tombent. Grâce à ce processus, les astronomes en savent plus sur l'intérieur des exoplanètes mortes que sur la composition de la Terre.

Eaux inexplorées

Que recherchent donc les scientifiques? L'eau est l'ingrédient clé de la vie sur Terre. Ainsi, lorsque nous recherchons la vie sur des mondes de notre système solaire, la présence de l'eau dicte généralement notre intérêt. Il n'est donc pas surprenant que les astronomes à la recherche de mondes potentiellement habitables autour d'autres étoiles saisissent la possibilité de l'eau.

Souvent, la recherche d'exoplanètes se concentre sur la zone habitable, la région autour d'une étoile où l'eau pourrait rester liquide à la surface d'une planète. Malheureusement, il faudra beaucoup de temps avant que l'un de nos télescopes puisse résoudre la surface d'un monde à des années-lumière de nous. Des instruments comme le télescope spatial Hubble de la NASA sondent d'autres mondes, à la recherche de signes d'eau dans leur atmosphère. Mais malgré l'identification de milliers de planètes et de planètes candidates au-delà du système solaire, les scientifiques ne peuvent glaner que les données les plus fines les concernant.

La plupart des planètes identifiées ont été initialement trouvées et étudiées en utilisant la méthode de transit, qui examine comment un objet bloque la lumière de l'étoile. Malheureusement, cela ne peut fournir que la taille du monde. D'autres ont été trouvés en utilisant la méthode de la vitesse radiale, qui mesure combien une planète tire sur son étoile, révélant ainsi sa masse. Si les scientifiques suivent un monde en transit avec une mesure de vitesse radiale - et ils l'ont dans de nombreux cas - alors ils peuvent utiliser la masse et la taille pour calculer la densité moyenne de la planète, fournissant une estimation approximative de sa composition et peut-être un indice si l'eau est présent.

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Cette illustration représente la planète extrasolaire HD 189733b avec son étoile parente furtivement au-dessus de son bord supérieur. Les astronomes ont utilisé le télescope spatial Hubble pour détecter le méthane et la vapeur d'eau dans l'atmosphère de la planète de la taille de Jupiter. Ils ont fait cette constatation en étudiant comment la lumière de l'étoile hôte filtre à travers l'atmosphère de la planète.

NASA / ESA / G. Bacon (STScI)

D'où vient l'eau?

Malgré notre familiarité avec notre propre planète, les scientifiques ne connaissent toujours pas la source de l'eau de la Terre. Bien que certains soutiennent que les quatre planètes internes rocheuses de notre système solaire auraient pu naître humides, la majorité pense que les mondes étaient probablement trop chauds pour s'accrocher à l'eau. D'une manière ou d'une autre, la Terre et Mars, et peut-être même Vénus, sont passés de mondes chauds du désert à des planètes aux océans vibrants. Alors que Vénus et Mars ont de nouveau perdu leur eau, le liquide est resté sur Terre, la transformant en une planète riche en vie.

Mais si la Terre s'était formée à sec, d'où venait cette eau? Pendant des décennies, les scientifiques ont cru que les comètes étaient un concurrent sérieux. Les boules de neige rocheuses du système solaire auraient pu s'écraser sur les planètes intérieures lorsque tout entrait en collision dans le violent système solaire primitif, apportant non seulement de l'eau, mais aussi d'autres matières volatiles comme le carbone et l'azote. Malheureusement, des missions sur des comètes ont révélé que l'empreinte chimique de leur eau ne correspond pas tout à fait aux océans de la Terre, ce qui a conduit la plupart des chercheurs à les considérer comme une source d'eau principale - bien qu'ils aient pu contribuer à une fraction de notre approvisionnement actuel.
Aujourd'hui, les astéroïdes restent le concurrent le plus puissant pour la livraison d'eau sur Terre. Dans la ceinture d'astéroïdes, l'eau est emprisonnée dans des minéraux. Si le jeune Jupiter avec son immense gravité y a fait remuer de la matière, certains ont pu se précipiter vers l'intérieur. Les collisions et la chaleur qui en résulteraient auraient libéré l'eau sur la jeune Terre.

«Les astéroïdes contiennent suffisamment d'eau pour donner une belle couche de surface humide à la formation de jeunes planètes rocheuses», explique Ben Zuckerman, qui étudie les naines blanches à l'Université de Californie à Los Angeles.

Ainsi, les chercheurs découvrent le mystère de la façon dont l'eau est arrivée sur Terre, et ils supposent qu'un processus similaire a fonctionné pour les planètes autour d'autres étoiles.

La clé: les nains blancs

Les exoplanètes peuvent être entourées de mystère, mais leurs restes fournissent des indices sur leur vie. Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont trouvé un moyen de sonder ce qui se trouve à l'intérieur d'une exoplanète, non pas de l'extérieur vers l'intérieur, mais de l'intérieur vers l'extérieur. De telles observations fournissent un aperçu plus détaillé de la composition de ces corps que les études de nos mondes les plus proches - y compris la Terre.

«Dans le système solaire, nous n'avons en fait pas de méthode pour voir l'intérieur des planètes», explique Jay Farihi, astronome à l'University College de Londres. «Nous ne connaissons pas, par exemple, 70 à 80% de la composition de la Terre, même si nous y sommes.»

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L'impression de cet artiste montre un objet massif semblable à une comète tombant dans la naine blanche WD 1425 + 540, qui se trouve dans la constellation Boötes à environ 170 années-lumière.

NASA / ESA / Z. Levy (STScI)

Cela ne signifie pas que les scientifiques sont aveugles sur la composition de la Terre. L'étude de sa densité et de son champ magnétique, ainsi que l'examen des météorites, ont fourni de nombreuses informations. Mais personne ne peut creuser jusqu'au cœur de la Terre et identifier directement les couches de la planète.

Mais d'une certaine manière, Farihi peut être en mesure de contourner de telles tactiques pour étudier les exoplanètes. Plutôt que de regarder les mondes eux-mêmes, lui et ses collègues étudient les naines blanches - les restes d'étoiles semblables au Soleil qui ont conservé une grande partie de leur masse mais n'ont que la taille de la Terre. Certaines de ces étoiles ont consommé les mondes qui les ont tournées en orbite.

À la fin de sa vie, lorsqu'elle ne peut plus fusionner l'hélium, une étoile comme le Soleil se gonfle pour devenir une énorme géante rouge avant de libérer ses couches externes comme une nébuleuse planétaire. Ce qui reste s'effondre en une naine blanche. Ces cadavres stellaires ne fusionnent plus d'éléments, mais leur haute densité et leur chaleur résiduelle signifient qu'ils passeront des milliards d'années à se refroidir.
 
Contrairement aux étoiles, les atmosphères des naines blanches sont assez vierges. Les astronomes ne détectent que de l'hydrogène et parfois de l'hélium, qui montent au sommet. D'autres matériaux coulent rapidement. Ainsi, lorsque les scientifiques voient quelque chose comme le carbone ou l'azote polluer l'atmosphère, ils savent que quelque chose tombant sur l'étoile doit l'avoir délivré.

«Un nain blanc agit comme une feuille de papier vierge», dit Farihi. "Quand les choses tombent là-bas, nous pouvons voir de quoi elles sont faites."

Et les nains blancs sont des mangeurs voraces. Alors que le matériau en orbite se rapproche, la gravité intense de l'objet le déchire. Alors que les étoiles semblables au soleil produisent des vents qui chassent le gaz, les étoiles mortes sont silencieuses, sans coups de vent pouvant transporter des débris vers la liberté.

"Une fois que vous êtes pris au piège dans le champ gravitationnel d'une naine blanche, peu importe la forme dans laquelle vous vous trouvez - finalement, vous allez être englouti par cette naine blanche", a déclaré Zuckerman.
C'est là que la science commence. En sondant les couches extérieures des naines blanches, vous découvrez les tripes de leurs derniers repas, consommés de 10 000 à 100 000 ans plus tôt. Des disques de débris entourent les naines blanches. Récemment, des astronomes ont repéré un astéroïde de la taille de Cérès en train de se désintégrer en orbite autour d'une naine blanche, suggérant qu'une grande partie de la matière dans son atmosphère pourrait provenir de la planète mineure détruite.

Parce que les naines blanches déchiquettent des objets en spirale, il peut être difficile de dire si le matériau provient d'une planète pleine ou simplement d'un morceau de la taille d'un astéroïde. Mais au cours de la dernière décennie, les observations des derniers repas des naines blanches ont montré que l'eau est courante dans les systèmes mourants, ce qui suggère qu'elle est également un ingrédient des planètes.

Repas de petite planète

Comme il devenait plus évident que les naines blanches grignotaient les mondes mourants, de nombreux scientifiques voulaient un autre regard. En 2012, Farihi et ses collègues ont capturé de nouvelles images du nain blanc GD 61, jetant un regard plus approfondi avec Hubble et les télescopes Keck I et II à Hawaï. Après avoir étudié la chimie de l'atmosphère de la naine blanche, l'équipe a annoncé que le GD 61 avait récemment mangé un objet riche en eau. Pour la première fois, l'eau a été identifiée comme un ingrédient majeur dans un objet en dehors du système solaire.

 

La chimie de l'objet de la taille de Vesta suggère qu'il faisait autrefois partie d'une ceinture d'astéroïdes lorsque GD 61 était une étoile. Bien qu'il soit impossible de dire si l'eau est arrivée sous forme solide, liquide ou gazeuse, elle était très probablement piégée à l'intérieur des roches.

Uri Malamud et Hagai Perets, chercheurs de l'Institut israélien de technologie, ont modélisé ce qui pourrait arriver à l'eau à la fois sur et dans un objet de la taille d'un astéroïde alors que son étoile se transforme en une géante rouge. Ils ont constaté que, pour tous les corps rocheux, sauf les plus éloignés, toute eau de surface s'évapore probablement et est chassée lorsque l'étoile devient un géant. Mais l'eau emprisonnée dans les roches pourrait survivre.

Depuis que GD 61 a été trouvé en train de consommer un objet semblable à un astéroïde, une poignée d'autres naines blanches ont montré les mêmes habitudes alimentaires. Selon Boris Gänsicke, professeur de physique à l'Université de Warwick, les collations naines blanches repérées avant cette année ressemblaient toutes à des objets de notre système solaire interne: des matériaux rocheux riches en fer qui ressemblaient aux noyaux des planètes éclatées, avec seulement une poignée d'eau transportant. Mais les corps rocheux des ceintures d'astéroïdes éloignées ne sont pas les seules choses que les naines blanches consomment.

 

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À certains égards, il serait plus facile d'étudier la composition d'une planète comme la Terre comme une étoile naine blanche la détruit qu'en la sondant d'en haut, comme le font les scientifiques vivant ici.

NASA

Snack du système solaire externe

Début 2017, une équipe dirigée par Siyi Xu à l'UCLA a trouvé des preuves que des naines blanches consommaient également du matériel de leurs systèmes solaires externes. Xu utilise le télescope Keck pour arpenter des naines blanches polluées, et elle a travaillé avec Michael Jura de l'UCLA, qu'elle qualifie de «pionnière dans ce genre de travail». (Jura est décédée en 2016.)

L'un des objets, WD 1425 + 540, ne se démarquait pas vraiment de la foule, à l'exception d'une caractéristique notable. Bien qu'il s'agisse d'un nain blanc d'hélium (plus d'informations sur ce type d'objet plus tard), il est riche en hydrogène. Lorsque Xu a étudié la naine blanche avec Hubble, elle a également découvert qu'il est étonnamment riche en carbone et en azote, un matériau rare près d'une étoile, et qui n'apparaît qu'à des distances équivalentes à la position de Saturne dans notre système solaire.

«L'azote est un panneau ou un indicateur des basses températures», explique Zuckerman. Et là où l'azote existe, l'eau peut-elle être loin derrière?

La teneur élevée en azote a été un signal pour Xu, maintenant à l'Observatoire européen austral, qui a déclaré qu'aucune autre naine blanche n'avait auparavant montré des signes d'accrétion de l'élément. La grande quantité d'azote par rapport à d'autres éléments suggère que l'objet détruit provenait encore plus loin qu'une orbite semblable à Saturne, peut-être d'une ceinture de Kuiper extrasolaire. Dans notre système solaire, la ceinture de Kuiper abrite les comètes et les planètes naines. Tout ce que WD 1425 + 540 grignotait était plus gros qu'une comète, pesant à peu près la même masse que le plus célèbre habitant de la ceinture de Kuiper, Pluton.

«Nous ne connaissons vraiment pas la composition globale [de Pluton]», dit Xu. "Vous ne le savez pas jusqu'à ce que vous le brisiez et que nous le mesurions." Ainsi, le nain blanc lointain a peut-être fourni le regard le plus proche que nous aurons à l'intérieur de l'un des mondes les plus extérieurs de notre système solaire.

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Une façon de trouver de l'eau à proximité est d'observer un monde qui l'éjecte des geysers. Les scientifiques ont basé cette illustration (non à l'échelle) des panaches provenant de la lune Encelade de Saturne sur l'analyse des données du vaisseau spatial Cassini de la NASA, qui a traversé les panaches en 2015. La découverte d'hydrogène dans le matériau en éruption fournit des preuves de l'activité hydrothermale, ce qui rend l'existence d'un océan souterrain probable.

NASA / JPL-Caltech

Mais alors que les mondes intérieurs rocheux sont facilement perturbés après qu'une étoile se transforme en une géante rouge, tombant vers l'intérieur s'ils ne sont pas détruits, il peut être difficile de comprendre comment un objet plus éloigné pénètre dans la gueule d'un nain blanc. Xu et ses collaborateurs soupçonnent que la raison pourrait être la gravité du compagnon de WD 1425 + 540, une étoile qui orbite plus de 2200 fois plus loin de la naine blanche que la Terre en orbite autour du Soleil. Des collègues chercheurs examinent s'il est possible que de légères perturbations de ce compagnon déplacent un objet de la ceinture de Kuiper vers son destin.

Les ceintures Exo-Kuiper ne sont pas nouvelles - les scientifiques les ont repérées autour d'autres étoiles avant même de savoir que le Soleil avait sa propre ceinture. Mais jamais auparavant ils n'ont pu regarder à l'intérieur de l'un d'eux.

«Maintenant, pour la première fois, nous sommes en mesure de mesurer la composition élémentaire et chimique d'un objet qui se trouvait autrefois dans une ceinture de Kuiper extrasolaire», explique Zuckerman.
Si la ceinture de Kuiper du Soleil a lancé des comètes et d'autres objets vers la Terre, l'ensemencant avec au moins une partie de l'eau et des éléments nécessaires à la vie, alors une ceinture exo-Kuiper riche en mêmes ingrédients donne de l'espoir à d'autres systèmes suivant une piste similaire.

Le simple fait que de tels objets riches en naines blanches en orbite volatile soit encourageant. «Les mondes semblables à la Terre, s'ils existent, pourraient également avoir une couche de placage ou de surface qui serait propice à l'origine de la vie», explique Zuckerman.

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À gauche: un astéroïde se dirige vers sa destruction aux mains du nain blanc Giclas 29–38. À droite: le télescope spatial Spitzer a acquis ce spectre de G 29–38. Une naine blanche normale montre une signature spectrale à dominante bleue comme celle sur le côté gauche du graphique. G 29–38, cependant, a un autre élément rougeâtre qui, selon les scientifiques, provient d'un disque de poussière entourant l'étoile. Ils croient que les débris sont les restes d'un astéroïde qui faisait partie du système solaire qui existait lorsque G 29–38 était encore une étoile semblable au soleil.

NASA / JPL-Caltech / W. Portée (SSC / Caltech)

Teneur en hydrogène

Alors que Farihi et Xu traquent des naines blanches individuelles pour déceler des signes d'astéroïdes riches en eau et d'exo-KBO, Nicola Gentile Fusillo, associée postdoctorale à l'Université de Warwick, a décidé de prendre du recul et de sonder des centaines d'étoiles mortes, en se concentrant sur une classe plus petite connue sous le nom de naines blanches d'hélium. Ses découvertes suggèrent que les objets riches en eau sont abondants dans toute la galaxie.

Les naines blanches d'hélium représentent environ un tiers de toutes les naines blanches. Contrairement à leurs cousins ​​plus nombreux, ils ont des atmosphères riches en hélium plutôt qu'en hydrogène. En fait, leur source d'hydrogène est un mystère. Certains chercheurs soutiennent que ces naines blanches se sont formées avec un réservoir d'hydrogène qui a été progressivement dilué par l'atmosphère d'hélium. D'autres se demandent si les étoiles ont pu capter de l'hydrogène sur leurs surfaces lors de leur passage à travers un matériau interstellaire.

Fusillo et ses collègues ont récemment découvert une nouvelle naine blanche riche en hélium, GD 17, dont la composition ressemblait fortement à GD 61. Les deux sont lourds en hydrogène et riches en d'autres éléments. Se demandant si les deux caractéristiques pouvaient être liées, Fusillo a sondé 729 naines blanches d'hélium. Il a constaté que l'hydrogène était presque deux fois plus courant chez les naines blanches polluées que chez leurs homologues.

Et si l'hydrogène de ces riches naines blanches était le seul signe survivant d'objets riches en eau? Comme avec GD 61, un astéroïde ou KBO peut avoir percuté l'étoile mourante. Mais alors que l'oxygène, le carbone, l'azote et tout le reste finiraient par couler hors de l'atmosphère, l'hydrogène persisterait. Au fil du temps, il s'accumulait, laissant des naines blanches qui avaient consommé de l'eau avec une atmosphère d'hydrogène exceptionnellement épaisse.

La consommation de débris planétaires n'est pas la seule source d'hydrogène dans les naines blanches d'hélium. Fusillo pense toujours que beaucoup de naines blanches conservent probablement des traces d'une atmosphère d'hydrogène primordiale. Mais les débris apportent certainement une contribution importante. «Un nombre important d'entre eux ont dû subir cet événement d'accrétion», dit-il.

Sans disque de débris pour fournir des indices supplémentaires, il est impossible de dire si des naines blanches d'hélium riches en hydrogène non polluées ont dévoré quelques gros objets semblables à des planètes ou une multitude de minuscules astéroïdes au cours de leur vie d'un milliard d'années. «L'hydrogène peut remonter dans le temps, mais cette information est perdue», explique Fusillo. «Il pourrait s'agir d'événements distincts au fil du temps, chacun transportant une petite quantité d'eau sur de longues échelles de temps.»

Farihi met en garde contre la possibilité de surestimer le lien entre l'eau et les atmosphères riches en hydrogène. Avec des objets pollués comme le GD 61 et le GD 17, il est plus facile de défendre la cause de l'eau en faisant correspondre les signatures des éléments présents. Une fois que les éléments se sont enfoncés dans l'étoile, cependant, il ne reste plus que de l'eau.

 

Pourtant, le co-auteur et conseiller de Fusillo, Gänsicke, pense que la recherche révèle que les planétésimaux riches en eau - grands ou petits - sont fréquents dans d'autres systèmes planétaires. «C'est excitant dans un sens, mais peut-être en fait naturel, car nous savons dans le système solaire que l'eau se produit dans de nombreux endroits, certains inattendus», dit-il. Après tout, l'eau apparaît dans les cratères ombragés de Mercure, et dans les océans au plus profond des lunes de Saturne et de Jupiter, et peut-être même sous la surface glacée de Pluton.

Tester l'eau

Donc, tout en comprenant les mondes vivants reste un défi, les planètes mortes livrent lentement leurs secrets. Et il semble que leurs secrets pourraient être très humides, en effet.
"Il est prouvé que l'eau semble être un ingrédient général des systèmes planétaires, même ceux qui ont évolué jusqu'à la toute fin de la vie de leurs étoiles hôtes", explique Gänsicke.
Fusillo est d'accord. «L'eau n'est pas rare», dit-il. «À chaque fois qu'une naine blanche accroche des roches, elle accumule également de l'eau. C'est une petite quantité, mais très souvent présente. »

Si l'eau est abondante non seulement dans les planètes mortes mais aussi dans les planètes vivantes, cela pourrait être une bonne nouvelle pour ceux qui chassent des mondes potentiellement habitables. Les planètes autour d'étoiles vivantes peuvent également avoir reçu de l'eau, soit d'astéroïdes ou de comètes, et peuvent conserver cette eau jusqu'à la fin de leur vie.

«Si des planètes rocheuses se forment dans la zone habitable, il existe un nombre suffisant de corps porteurs d'eau qui fournissent des matériaux et les rendent habitables, même s'ils n'étaient pas habitables au départ», explique Gänsicke. «Le genre d'histoire qui s'est produite dans le système solaire est également susceptible de se produire dans d'autres systèmes planétaires.»

 

Source: http://www.astronomy.com
Lien: http://astronomy.com/magazine/news/2018/09/water-worlds-in-the-milky-way?utm_source=asyfb&utm_medium=social&utm_campaign=asyfb&fbclid=IwAR0ZxQaylz5890tgE9R_LyPCg1lkBMqMLe6aRCwzZKfRacyo7sU-cc8A4hw

 

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