Exoplanetary Atmospheric Chemistry at high Temperature

 

 

Le projet EXACT a pour but d’améliorer la compréhension de la composition chimique des atmosphères des exoplanètes à partir des observations qui sont, ou seront, réalisées avec les télescopes JWST et ARIEL. L'impact de ce projet est très important, car il contribue à la définition des planètes cibles qui seront observées par ARIEL. Pour atteindre l'objectif du projet, nous effectuons des développements sur les modèles numériques (modèles cinétiques d'atmosphère et modèles d’inversion de données) et également des mesures expérimentales de données physico-chimiques. Le projet EXACT a été divisé en quatre axes de travail (Work Packages - WP) :

 

- Déterminer la composition des atmosphères des exoplanètes (WP1) : Dans un premier temps, nous avons réalisé un couplage entre notre modèle de cinétique chimique (FRECKLL) avec le code d’inversion TauREx afin de prendre en compte la composition dite hors-équilibre de l’atmosphère directement pendant l’étape d’analyse des données. Ce couplage a été réalisé en collaboration avec l’University College London (Al-Refaie, Venot et al. 2024) et nous utilisons désormais ce nouveau modèle de retrieval pour analyser les données JWST et préparer les observations du téléscope ARIEL.

 

- Représenter la diversité chimique des atmosphères (WP2) : L'objectif est de développer des schémas chimiques les plus réalistes et fiables, en collaborant avec le Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (LRGP). Grâce à cette collaboration, nous validons nos schémas chimiques sur des données expérimentales de combustion. Nous avons développé des schémas chimiques CHON (Venot et al. 2012, 2015, 2019, 2020 ; Veillet, Venot et al. 2024), qui représentent la base fondamentale. Nous développons également des schémas contenant d’autres d’éléments chimiques comme le soufre (S) et le phosphore (P) afin de pouvoir modéliser les atmosphères d’exoplanètes qui contiennent ces éléments en abondance détectable.

 

- Déterminer les variations longitudinales et latitudinales de la composition chimique des atmosphères (WP3) : L'objectif est d’inclure une chimie complexe dans un modèle à trois dimensions. A chaque schéma que nous développons, nous associons un schéma chimique réduit afin que le temps de calcul ne soit pas un frein pour les modèles 3D. Nous collaborons avec l’Université d’Exeter pour développer ces modèles 3D. Nous avons également participé au développement de modèles pseudo-2D, qui sont à mi-chemin entre les modèles 1D et 3D et qui permettent d’étudier les variations longitudinales (Agundez et al. 2012, 2014 ; Baeyens et al. 2021, 2022 ; Moses et al. 2022, Venot et al. 2020).

 

- Mesurer expérimentalement des données physico-chimiques à températures élevées pour une modélisation représentatives des atmosphères des exoplanètes chaudes (WP4) : Nous mesurons et analysons la dépendance thermique des sections efficaces d’absorption dans l’UV des principales molécules d’intérêt atmosphérique grâce à des mesures en synchrotron (BESSY, SOLEIL) et aussi à notre plateforme de spectroscopie VUV (Venot et al. 2013, 2018 ; Thèse Mathilde, Fleury et al. soumis).

 

 

Figure 1: Section efficace d'absorption du dioxyde de carbone à différentes températures entre 150 et 800 K. (Venot et al., 2018).

 

 

 

 

Figure 2: Profils d'abondances verticaux de quelques molécules dans l'atmosphère d'un Jupiter Chaud lorsque la section efficace d'absorption VUV de CO2 à 300 K (trait plein) ou à 800K (tiret) est utilisée dans le modèle cinétique (Venot et al. 2018).

 

 

La plateforme est composée d’un monochromateur (McPherson), d’une source de lumière (lampe à Deutérium), d’une cellule en Quartz (Nabertherm), d’un four (Nabertherm) permettant de chauffer le gaz étudié jusqu’à 1400 K, d’un photomultiplicateur de type « solar blind » (Hamamatsu) et plusieurs systèmes de pompage. Un système d’injection est ajouté pour introduire le gaz souhaité.

 

Le monochromateur permet de faire des études sur la gamme 50-300 nm, avec une résolution maximale de 0,01 nm.