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Gliese 581g est une exoplanète (source) dont la découverte a été révélée, en septembre 2010, par une équipe d'astronomes du Lick-Carnegie Exoplanet Survey.

Cette équipe était conduite par Steven S. Vogt professeur d'astronomie et d'astrophysique à l'université de Californie de Santa Cruz avec R. Paul Butler du Carnegie Institution de Washington.

La découverte a été faite en utilisant des mesures de vélocité radiale à partir de 11 ans de mesures avec le "High Resolution Echelle Spectrometer" (HIRES) associé au télescope Keck 1 et à partir de 4.3 ans de mesures avec le High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher (HARPS) du télescope de 3.6m de l'observatoire La Silla.

Les exoplanètes sont, avec les instruments actuels, inobservables directement.

Elles sont trop lointaines et l'éclat de leur étoile trop fort, alors qu'elles ne font que refléter sa lumière.

Ce sont donc les mouvements radiaux de l'étoile qui sont observés par l'intermédiaire de son changement de vitesse radiale (effet Doppler).

S'il existe plusieurs planètes, le mouvement de l'étoile est très complexe et doit être analysé au travers de modèles qui délivrent des solutions différentes.

Pour le système de Gliese 581, il y a un modèle à 4 planètes et un à 6 planètes dont fait partie Gliese 581g.

Les planètes e,b,c, d semblent confirmées mais g et f demandent à l'être.

Gliese 581g est donc une exoplanète qui gravite en 37 jours, selon une orbite plus ou moins circulaire de 22 millions de km de rayon (149 Mkm pour la Terre), autour d'une étoile naine rouge Gliese 581.

La masse de la naine rouge Gliese 581 est de 0.3 fois la masse du soleil et sa luminosité égale à seulement 1.3% celle du soleil.

Sa température est de 3200K (Soleil:5700K).

La loi de déplacement de Wien indique que la longueur d'onde du maximum du spectre correspond au rouge (vert pour le soleil) et une grande partie de son spectre est constituée d'infrarouge proche.

Sa faible luminosité implique que sa zone habitable est nettement plus proche de l'étoile que celle du soleil.

(image NASA)

Le système de Gliese 581 est tout entier contenu dans l'orbite de Vénus et Gliese 581g est bien plus près de son étoile que Mercure l'est du soleil, comme l'indique la représentation suivante.

(image NASA)

Alors que Mercure est écrasée par un flux solaire titanesque de 9127 W/m2 (Terre: 1365W/m2) en orbitant à 58 Mkm du soleil, Gliese 581g bien que 2.6 fois plus près ne reçoit que 866 W/m2.

Ce flux bien que plus bas que celui qui baigne la Terre, est nettement supérieur au flux sur Mars (589 W/m2).

Ces présentations étant faites nous allons rentrer dans le vif du sujet tel que décrit par R Pierrehumbert dans " A palette of climates for Gliese 581g " publié dans "The Astrophysical Journal Letters" le 13décembre 2010

Tout d'abord la proximité de Gliese 581g avec son étoile la rend assez vraisemblablement "tide-locked" à l'instar (presque) de Mercure et de Vénus et (complètement) de la Lune dans notre système solaire.

En d'autres termes, elle  présente toujours la même face à son étoile alors que son autre face est dans la pénombre permanente faiblement illuminée lors du passage des 2 autres planètes d'orbites supérieures.

Pierrehumbert examine différentes possibilités suivant la présence ou non d'atmosphère, d'eau, de CO2.

Gliese 581g est une robuste planète rocheuse qui fait 3 à 4 fois la masse de la Terre et on suppose une densité identique ce qui porte son rayon à 1.6 fois celui de la Terre.

Le champ de gravité dans ces conditions est de 16 ms-2 (9.81ms-2 pour la Terre).

1- surface rocheuse sans atmosphère

si on suppose un albédo de 0.2 (Mercure et la Lune sont à 0.11/0.12) la température au zénith est de 332K soit 59°C et décroît progressivement quand on s'éloigne du zénith.

la face cachée est à une température sans doute très inférieure à 100K (géothermie?)

2- surface rocheuse sèche avec atmosphère d'azote (N2)

Le fait que Gliese 581g soit "tide-locked" implique qu'elle tourne sur elle-même avec une période égale à sa période de révolution autour de l'étoile.

Comme cette période est de 37 jours, sa période de rotation est de 37 jours.

La vitesse de rotation très faible implique une faible force de Coriolis.

On est typiquement dans le WTG (Weak Thermal Gradient) qu'implique une force de Coriolis faible.

Une conséquence très importante est que la température de l'atmosphère est proche de l'uniforme sur le plan horizontal.

On peut en déduire la température du sol qui va dépendre de la luminosité reçue et de la force des vents.

Avec une pression atmosphérique de 10 bars et des vents moyens de 5m/s , la température du sol devient elle-même presque uniforme.

La température au zénith est de 240K, la température côté nuit est de 233K (soit seulement 7K de moins) et la température de l'atmosphère (couche au dessus du sol) de 235K.

Il est plutôt surprenant de constater que grâce à la circulation atmosphérique, le côté plongé dans la nuit éternelle est pratiquement à la température du côté éclairé.

Je laisse au lecteur curieux la recherche d'exemples de ce phénomène, en guise d'exercice.

3- présence d'océans avec azote seul

Pour maintenir la température de la planète au dessus de 273K (0°C) il faut 267W/m2.

Or même avec un albédo de 0.1 la planète ne peut absorber que 195W/m2 moyenné sur la surface.

Donc si l'atmosphère est suffisamment épaisse pour égaliser la température, les océans gèlent irrémédiablement et la température de la planète se stabilise à 192K pour un albédo de 0.65.

Cependant si l'atmosphère est plus fine, par exemple avec une pression de 0.1bar, le point au zénith est suffisamment chaud pour empêcher le gel et on peut obtenir des conditions favorables à la vie.

4-monde rocheux et sec avec atmosphère très dense de CO2

Le flux solaire reçu par Gliese 581g est largement suffisant pour éviter la condensation du CO2 et donc ce dernier peut s'accumuler sans limitation dans l'atmosphère de la planète.

Pour un albédo de 0.2 et une pression de 20 bars de CO2 la température augmente à 440K et à 623K si la pression est de 100bars.

Ce calcul surestime la température car la diffusion Rayleigh de l'atmosphère à de telles pressions augmente l'albédo.

Des nuages d'acide sulfurique comme sur Vénus, réduiraient cette température fortement jusqu'à atteindre la condensation du CO2.

L'équilibre de ce genre de système mériterait des études ultérieures.

5-monde chaud humide avec CO2

Comme il n'y a pas de limite au CO2 Gliese 581g est donc un monde un peu plus chaud encore que le précédent (rétroaction vapeur oblige) mais pour lequel un effet de serre exponentiel n'est pas possible, selon Pierrehumbert.

Cette dernière assertion me semble un peu bizarre étant données les valeurs atteintes par la température.

6-Une Terre "habitable" en "œil"

Il s'agit ici du cas le plus favorable à l'habitabilité de la planète.

Dans cette hypothèse Gliese 581g est une planète couverte d'océans avec ce qu'il faut de continents pour réguler le CO2 atmosphérique.

La planète ressemble alors à un œil chaud d'eau liquide entouré par une banquise éternelle.

Il peut y avoir des petits continents dont les conditions seraient favorables, mais une surface de terres trop importante au niveau de l'œil entraînerait une captation plus grande du CO2 par les silicates ainsi qu'une quantité de chaleur plus faible.

Dans la figure 2 de l'article des températures de 30°C semblent courantes autour de la partie centrale.

Des îles moyennes pourraient connaître un climat genre "Antilles" ou "Hawaï".

On s'imagine déjà les pieds en éventail sur une plage de sable rose, sous un improbable palmier, mais ne rêvons pas trop cependant.

En fin d'article Pierrehumbert décrit rapidement les mesures pouvant, selon lui, permettre de trancher en faveur de telle ou telle hypothèse.

Conclusion

Gliese 581g est une planète hypothétique, relativement semblable à la Terre dans ses composantes physiques principales, placée dans ce qu'on appelle la zone habitable d'une naine rouge.

C'est un donc un cas très intéressant à étudier étant donné le fait que les naines rouges constituent 70% de la population des étoiles.

Les quelques exemples de climat possibles, passés en revue par R Pierrehumbert montrent combien sont délicates et sensibles les conditions nécessaires à l'habitabilité d'une telle planète, du moins selon les critères humains.

Par exemple, un trop gros continent dans une planète "œil", la rendrait rapidement inhabitable.

En plus de ces conditions plutôt serrées on pourrait ajouter que l'activité même d'une naine rouge n'est pas aussi tranquille qu'on pourrait le croire.

On lira ce document pour s'en convaincre.

Il apparaît donc que la variabilité des naines rouges peut être assez énorme puisque des baisses violentes d'activité de l'ordre de 40% ne sont pas exclues.

Le fait que ces variations soient, semble t'il, de courte durée, peut permettre toutefois à l'inertie thermique de contrer un effet "boule de neige" irréversible.

Plus graves sont les éruptions solaires très violentes émettant dans l'espace des torrents de particules chargées.

Même s'il semble que ces éruptions intenses diminuent avec l'âge de la naine rouge, la présence d'un géomagnétisme protecteur serait plutôt souhaitable.

Or une planète qui ne tourne pas très vite sur son axe ne génère pas un géomagnétisme puissant.

Bref, on peut conjecturer à l'infini sur l'habitabilité de ces système stellaires extrêmement répandus dans l'univers et dont la présence de planètes semble plutôt assez répandue.

Le système de Gliese 581 bien que relativement près du notre (20.5 parsecs) ne nécessiterait pas moins de plusieurs centaines de milliers d'années de voyage avec les moyens actuels de propulsion spatiale.

Néanmoins il est suffisamment proche pour que de futurs moyens d'observation plus puissants puissent permettre d'observer des planètes directement.

Sur un autre plan j'ai été particulièrement intéressé par le WTG qui décrit la circulation atmosphérique dans un monde où la force de Coriolis est très faible (ou un monde qui présente toujours la même face à son étoile).

L'explication théorique nécessite cependant une très bonne connaissance de la dynamique atmosphérique.