Une étude menée par des chercheurs du Département de génie mécanique Paul M. Rady, en partenariat avec des scientifiques du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA, a mis au point une expérience qui recrée le climat réel des planètes au-delà de notre système solaire, appelées exoplanètes.
Ryan Cole, boursier postdoctoral en génie mécanique et co-auteur de l’étude, a créé le simulateur à l’intérieur d’un instrument de 907 kg dans le laboratoire du professeur Greg Rieker à l’Université du Colorado, à Boulder, aux États-Unis.
En atteignant les mêmes conditions de haute température et de haute pression que celles trouvées sur de nombreuses exoplanètes, l’instrument peut cartographier les gaz dans leurs atmosphères, ce qui pourrait un jour aider l’humanité à trouver la vie sur d’autres planètes.
“Si nous regardons l’atmosphère terrestre, nous savons que la vie est ici parce que nous voyons du méthane, du dioxyde de carbone, tous ces différents marqueurs qui disent que quelque chose vit ici”, a déclaré Rieker. « Nous pouvons également examiner les signatures chimiques des exoplanètes. Si nous voyons la bonne combinaison de gaz, cela pourrait être un indicateur que quelque chose est vivant là-bas.
D’après le site Physique, les travaux de Rieker et Cole peuvent contribuer à la spectroscopie de transit d’exoplanètes – une méthode de recherche pour observer la composition de l’atmosphère d’une exoplanète dans laquelle les scientifiques utilisent un télescope pour observer la lumière qui la traverse. Comme la lumière interagit avec les gaz dans l’atmosphère, ces gaz absorbent les photons lorsqu’ils se déplacent.
“Les scientifiques ont besoin d’une carte pour interpréter ce que la lumière nous dit quand elle arrive ici”, a déclaré Rieker. “C’est là qu’intervient l’expérience de Ryan. Alors que nous créons ce minuscule microcosme de l’atmosphère de cette exoplanète dans notre laboratoire, nous envoyons notre propre lumière caractérisée avec des lasers et étudions les photons qui en sortent. Nous pouvons mesurer les changements et cartographier la façon dont la lumière est absorbée.
Les conditions de haute température et de haute pression rencontrées sur les exoplanètes sont recréées à l’intérieur de cet instrument. Image: Université du Colorado à Boulder
Cette expérience combine des mesures de capteurs avec des modèles informatiques pour aider à détecter les différents gaz sur les exoplanètes.
Pendant que Cole construisait l’instrument qui reproduit les climats des exoplanètes et mesure comment la lumière est absorbée dans ces conditions exotiques, le laboratoire du chef de section adjoint Brian Drouin a fourni l’outil qui interprète les mesures.
De telles recherches peuvent optimiser des observatoires comme le télescope spatial James Webb. “Le télescope spatial James Webb et d’autres, comme Hubble, regardent l’horizon final de ce que les humains peuvent voir”, a déclaré Cole. «Greg et moi essayons de clarifier un peu votre point de vue. Nos mesures en laboratoire peuvent aider à interpréter les observations des télescopes sur les atmosphères planétaires lointaines.
Il y a des étendues infinies de l’univers à explorer par ces télescopes – plus de 4 800 exoplanètes confirmées et environ 7 900 autres qui sont sous analyse par la NASA. Avec l’expérience de Rieker et Cole incluse dans l’expédition, notre compréhension des exoplanètes et des gaz dans leur atmosphère pourrait être améliorée.
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Comment fonctionne le simulateur d’atmosphère d’exoplanète
“Il n’y a pas beaucoup de systèmes capables d’atteindre les conditions de haute température et de haute pression que nous obtenons”, a déclaré Cole. « Nous n’avons pas seulement besoin d’atteindre ces conditions, nous avons également besoin que la température et la pression soient extrêmement uniformes et connues. Répondre à ces critères est l’un des aspects les plus uniques de notre expérience.
Selon Cole, la taille et la portée de l’instrument sont ce qui leur permet d’atteindre les hautes températures et les hautes pressions observées sur les exoplanètes. L’expérience à l’intérieur de l’équipement peut atteindre 1 000 degrés Kelvin, soit environ 727 ºC.
L’instrument a des parois en acier épaisses conçues pour atteindre 100 atmosphères. Pour mettre cela en contexte, la pression moyenne de la Terre au niveau de la mer est d’une atmosphère.
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À partir de 2016, lorsqu’il a rejoint le laboratoire de Rieker, Cole a dû travailler environ cinq itérations de la cellule à haute température et haute pression avant de réussir. “Ryan est le premier à le faire”, a déclaré Rieker. “Il a créé des ensembles de données qui étaient vraiment proches de la perfection.”
Une fois que les conditions sont atteintes à l’intérieur de l’instrument, l’équipe envoie de la lumière à travers l’expérience des lasers à peigne de fréquence, une technologie qui a été à la base de la recherche lauréate du prix Nobel à l’Université du Colorado à Boulder et au National Institute of Standards and Technology. .
Selon les chercheurs, le laser possède des centaines de milliers de longueurs d’onde de lumière qui se comportent très bien, ce qui en fait un outil idéal pour étudier les interactions lumière-matière.
“Nous avons fait passer le laser dans cet environnement et, ce faisant, nous avons enregistré comment la lumière laser interagit avec le gaz que nous confinons au cœur de cette expérience unique”, a déclaré Cole. “Nous avons mesuré comment la lumière était absorbée à différentes fréquences, ce qui peut être utilisé pour interpréter les observations d’atmosphères exoplanétaires réelles.”
Ensuite, ces mesures passent par l’outil d’interprétation JPL. Ce modèle informatique extrait les paramètres quantiques fondamentaux qui permettent à l’équipe de cartographier la manière dont les molécules de gaz dans l’atmosphère interagiront avec la lumière dans toutes les conditions.
Rieker a comparé la relation entre les mesures obtenues et les paramètres que le JPL donne à un JPEG, le format standard pour les données d’image. Lorsque nous visualisons la photo, les données JPEG sont le code, ou le jeu d’instructions, pour l’image.
Dans ce cas, l’équipement du laboratoire de Rieker fournit l’image – les conditions de l’exoplanète et la lumière traversant son atmosphère. Et l’outil JPL fournit le code JPEG – les données qui décrivent comment la lumière interagit avec les gaz dans l’atmosphère.
L’équipement peut aider à mieux comprendre Vénus
Selon Rieker, les travaux n’ont pas commencé dans le but de cartographier les atmosphères des exoplanètes. L’objectif initial était de comprendre la combustion à l’intérieur d’un moteur de fusée ou d’avion. Il a commencé à cartographier les émissions de ces moteurs, ce qui peut aider la société à trouver des moyens plus efficaces de brûler du carburant.
“Je pense qu’il est intéressant de pouvoir lier les applications instrumentales d’un moteur à réaction à l’aéroport international de Denver à l’atmosphère d’une exoplanète loin de la Terre”, a déclaré Cole.
L’étendue de la fonction de la technologie permet même à l’équipe d’imiter l’intérieur d’un moteur à réaction et de cartographier les gaz émis. Lors de la construction de l’équipement, Cole a reconnu que les conditions à l’intérieur du moteur simulé étaient très similaires aux conditions à la surface de Vénus – haute température et haute pression.
“Vénus est une planète vraiment intéressante car physiquement, Vénus et la Terre sont très similaires en termes de taille et de densité”, a déclaré Cole. « Il y a une question en cours dans la communauté scientifique planétaire qui dit que vous pouvez faire une comparaison intéressante entre Vénus et la Terre. Vénus nous donne-t-elle un autre point de données sur l’évolution des planètes semblables à la Terre ? »
Vénus a une atmosphère de près de 460°C et 95 fois la pression de l’atmosphère terrestre. La planète est complètement inhospitalière, en grande partie à cause de l’effet de serre incontrôlable causé par la grande quantité de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Le gaz puissant emprisonne la chaleur de l’atmosphère de Vénus, entraînant des températures de surface extrêmement élevées.
Bien que l’atmosphère de la Terre soit loin des niveaux de dioxyde de carbone trouvés sur Vénus, des études de l’atmosphère de Vénus pourraient faire avancer la recherche sur le changement climatique.
“Notre équipement peut aider les scientifiques à mieux comprendre Vénus et l’évolution des atmosphères qui sont de plus en plus surchargées de dioxyde de carbone”, a déclaré Cole. “L’expérience pourrait nous aider à comprendre les atmosphères des planètes semblables à la Terre avec un échantillon de deux planètes au lieu d’une seule.”
De l’intérieur d’un moteur à la surface de Vénus et d’exoplanètes lointaines, l’objectif fondamental des travaux de Rieker et Cole est de comprendre comment la lumière interagit avec les molécules de gaz. Peu importe la portée, toutes les applications de la recherche de Rieker et Cole, selon eux, ont le même thème – promouvoir la vie. Ici ou ailleurs.
