e-PYTHEAS — Etude des hydrocarbures en émission et absorption dasn les exoplanètes à haute température

Le projet e-PYTHEAS se situe à la frontière entre la physique moléculaire, la chimie théorique et l’astrophysique. Il vise à étendre notre connaissance vers les très hautes températures (HT) des propriétés radiatives des milieux gazeux pour analyser la grande masse de données relatives aux milliers d’exoplanètes et de systèmes exoplanétaires confirmés à ce jour. Notre approche multidisciplinaire – théorie validée par des expériences de laboratoire et injectée dans des modèles d’atmosphère de planètes géantes gazeuses – permettra à la communauté scientifique de réaliser des avancées importantes sur leur formation et leur évolution. La plupart des exoplanètes sont chaudes et leurs spectres très complexes contiennent de nombreux motifs non identifiés. Les nombreuses observations à venir ne pourront donc être exploitables que si des données expérimentales et théoriques étendues aux HT sont disponibles pour leur analyse. Notre consortium de cinq laboratoires français et de plusieurs partenaires se propose d’améliorer la spectroscopie infrarouge HT de plusieurs espèces moléculaires majeures détectées dans les exoplanètes. Notre stratégie consiste à produire des données expérimentales et théoriques qui seront ensuite appliquées aux observations. L’apport de données IR de laboratoire du méthane, de l’acétylène, de l’éthylène et de l'éthane entre 500 et 2500 K améliorera les profils thermiques et donnera de précieuses informations sur les compositions gazeuses, les brouillards et leur variation temporelle. Les données actuellement disponibles souffrent des limitations suivantes : - toutes les bases de données sont lacunaires en-deçà de 1.65 µm, région spectrale pourtant incontournable pour les observations ; - les données spectroscopiques à HT ne peuvent pas être extrapolées à partir des bases de données atmosphériques telles que HITRAN et GEISA. Ces extrapolations ne peuvent ni reproduire les transitions rovibrationnelles à J élevé, ni les bandes chaudes, et sont ainsi dans l’incapacité de rendre compte de l'opacité à des températures élevées ; - les modèles moléculaires précis manquent pour générer des listes de raies complètes à HT pour les hydrocarbures polyatomiques qui dominent le spectre des naines brunes, des exoplanètes et des étoiles AGB et jouent un rôle de premier plan dans les processus chimiques et physiques de leurs atmosphères. Sur la base de calculs théoriques au niveau de l’art, des listes de raies extensives (position, intensité, profil) seront construites et validées par des expériences de laboratoire: (i) spectroscopie d’émission à équilibre thermique à T>500 K de 1.4 à 17 µm, (ii) Cavity Ring Down Spectroscopy (CRDS) hors équilibre en détente hypersonique de 1.5 à 1.7 µm, (iii) absorption directe et CRDS à haute sensibilité de 500 à 1000 K de 1.26 à 1.71 µm, (iv) absorption à température ambiante jusqu’à 0.8 µm pour atteindre directement les états vibrationnels excités. La faisabilité de ce projet ambitieux repose sur un savoir-faire expérimental et théorique attesté par nos travaux antérieurs. Nos données expérimentales et nos prédictions ab initio pour le méthane, l’éthylène et leurs isotopologues à basse T sont actuellement les plus précises disponibles, et les premières versions de listes à T= 2000 K dans la région au-delà de 2 µm montrent un accord sans précédent avec les observations. A l’issue de ce projet, la communauté disposera de spectres expérimentaux et synthétiques dans la région spectrale 0.8-17 µm pour 12CH4, 13CH4, CH3D, C2H2, C2H4, et C2H6 jusqu'à 2500 K. Les listes de raies ainsi générées, incluant l’attribution rovibrationnelle complète, les coefficients d’élargissement (par H2) et les sections efficaces d’absorption, pourront être intégrées dans des codes de transfert radiatif. Notre consortium collaboratif est un réseau international qui bénéficie de la mutualisation de données observationnelles, de ressources humaines, de codes de calcul et de moyens expérimentaux uniques.