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Interprétations dégradées des caractéristiques spectrales de l’oxygène dans les observations atmosphériques exoplanétaires en raison des incertitudes du rayonnement ultraviolet stellaire : une étude de cas 3D avec TRAPPIST-1e

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Interprétations dégradées des caractéristiques spectrales de l’oxygène dans les observations atmosphériques exoplanétaires en raison des incertitudes du rayonnement ultraviolet stellaire : une étude de cas 3D avec TRAPPIST-1e

La hauteur effective du spectre de transmission atmosphérique est tracée en fonction d’une longueur d’onde comprise entre 0,2 µm et 11 µm pour le P19 PI (orange), le P19 10 % PAL (marron), le P19 1 % PAL (jaune), le P19 0,1 % PAL (rouge), et simulations W21. PI (bleu clair), W21 10 % PAL (bleu), W21 1 % PAL (violet) et W21 0,1 % PAL (gris). Les cas non verrouillés à portée sont exclus pour plus de clarté, mais présentent peu de différences par rapport au cas équivalent à verrouillage à portée. La profondeur du transit, en termes de contraste par rapport à l’étoile, est indiquée sur l’axe vertical droit en parties par million (ppm). Les spectres sont collectés à un pouvoir de résolution spectral de R = 250. Les caractéristiques spectrales sont indiquées en gris. La plage de longueurs d’onde de l’observatoire des mondes habitables proposé (HWO ; zone ombrée en bleu) et la plage de longueurs d’onde de l’instrument JWST NIRSpec (zone ombrée en jaune) sont indiquées. Ils se chevauchent dans la zone ombrée en vert. La plage de longueurs d’onde de l’instrument JWST MIRI est indiquée dans la zone ombrée en violet. L’espacement des longueurs d’onde entre 0,2 et 1 µm varie entre 1 et 11 µm afin de montrer clairement les zones UV et visibles. La barre noire représente l’incertitude qui peut exister dans une mesure ayant atteint le seuil de bruit de l’instrument, où le seuil de bruit est indiqué comme étant de 5 ppm. Notez que cette barre d’erreur est une estimation des performances du télescope et n’indique pas une mesure. — Ph.EP astronomique

TRAPPIST-1e est une exoplanète habitable en orbite autour d’une étoile naine M ultra-froide et constitue une cible de choix pour les observations à l’aide du télescope spatial James Webb (JWST). La modélisation photochimique unidimensionnelle des atmosphères des planètes telluriques a montré l’importance du flux UV stellaire entrant dans la modification de la concentration d’espèces chimiques, telles que O3 et H2O.

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De plus, la modélisation tridimensionnelle (3D) a montré une anisotropie des abondances chimiques due au transport dans les simulations d’exoplanètes verrouillées par les marées. Nous utilisons le modèle climatique communautaire de l’atmosphère entière version 6 (WACCM6), un modèle 3D du système terrestre, pour étudier comment l’incertitude du flux UV incident, combinée au transport, affecte les prédictions d’observation de TRAPPIST-1e (en supposant une formation primordiale d’atmosphère semblable à la Terre).

Nous utilisons deux spectres stellaires semi-empiriques de TRAPPIST-1 issus de la littérature. Le rapport du flux UV entre eux peut atteindre un facteur de 5 000 dans certaines catégories de longueurs d’onde. Ainsi, le total des panaches d’O3 produits photochimiquement diffère d’un facteur 26. Les caractéristiques spectrales de l’O3 dans les spectres de transmission et d’émission diffèrent entre ces simulations (par exemple, des différences de 19 km dans la hauteur effective des spectres de transmission de l’O3 à 0,6 µm).

Cela entraîne des ambiguïtés potentielles lors de l’interprétation des observations, notamment des interférences avec des scénarios supposant des concentrations d’oxygène alternatives. Par conséquent, pour parvenir à des interprétations robustes des spectres des exoplanètes, il est crucial de caractériser les spectres ultraviolets de leurs étoiles hôtes. En l’absence de telles mesures stellaires, il est toujours possible d’obtenir le contexte atmosphérique à partir d’autres caractéristiques spectrales (telles que H2O), ou en comparant conjointement les spectres d’imagerie directe et de transmission.

Gregory Cook (1, 2), Dan Marsh (1), Catherine Walsh (1), Alison Youngblood (3), (1) École de physique et d’astronomie, Université de Leeds, Royaume-Uni, (2) Institut d’astronomie, Université de Cambridge, Royaume-Uni, (3) NASA Goddard Space Flight Center, Division de l’exploration du système solaire, États-Unis d’Amérique)

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Commentaires : 20 pages, 11 numéros, acceptés par ApJ
Sujets : Astrophysique terrestre et planétaire (astro-ph.EP) ; Astrophysique solaire et stellaire (astro-ph.SR)
Citer comme : arXiv:2309.15239 [astro-ph.EP] (Ou arXiv :2309.15239v1 [astro-ph.EP] pour cette version)
Date de soumission
De : Grégory Cook
[v1] Mardi 26 septembre 2023, 20:05:40 UTC (7 260 Ko)
https://arxiv.org/abs/2309.15239
Astrobiologie

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Une source de cristaux liquides de paires de photons

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La conversion ascendante paramétrique spontanée (SPDC), en tant que source de photons intriqués, présente un grand intérêt pour la physique quantique et la technologie quantique, mais jusqu’à présent, elle ne peut être mise en œuvre que dans des matériaux solides. Des chercheurs de l’Institut Max Planck pour la science de la lumière (MPL) et de l’Institut Josef Stefan de Ljubljana, en Slovénie, ont démontré pour la première fois la SPDC dans un cristal liquide. Les résultats ont été récemment publiés dans natureouvrent la voie à une nouvelle génération de sources quantiques : efficaces et accordables par champs électriques.

Diviser un photon en deux est l’un des outils les plus utiles en photonique quantique. Il peut créer des paires de photons intriqués, des photons uniques, de la lumière compressée et des états photoniques encore plus complexes, essentiels aux technologies photoniques quantiques. Ce processus est connu sous le nom de conversion abaisseur automatique (SPDC).

Le SPDC est étroitement lié à la symétrie centrale. Il s’agit de la symétrie par rapport à un point – par exemple, un carré est symétrique au centre mais pas un triangle. Essentiellement, en divisant un photon en deux, le SPDC brise la symétrie centrale. Par conséquent, cela n’est possible que dans les cristaux dont la cellule primaire est asymétrique au centre. La SPDC ne peut pas se produire dans les liquides ou les gaz ordinaires, car ces matériaux sont isotropes.

Cependant, des chercheurs ont récemment découvert des cristaux liquides de structure différente, appelés cristaux liquides nématiques ferroélectriques. Bien qu’ils soient fluides, ces matériaux se caractérisent par une forte rupture de symétrie centrale. Leurs molécules sont allongées, asymétriques et surtout, elles peuvent être réorientées par un champ électrique externe. La réorientation des molécules modifie la polarisation des paires de photons générées, ainsi que le taux de génération. Avec un conditionnement approprié, un échantillon de ces matériaux peut constituer un dispositif extrêmement utile car ils produisent efficacement des paires de photons, peuvent être facilement réglés à l’aide d’un champ électrique et peuvent être intégrés dans des dispositifs plus complexes.

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À l’aide d’échantillons préparés à l’Institut Josef Stefan (Ljubljana, Slovénie) à partir de cristaux liquides nématiques ferroélectriques fabriqués par Merck Electronics KGaA, des chercheurs de l’Institut Max Planck pour la science de la lumière ont appliqué pour la première fois la SPDC à un cristal liquide. . L’efficacité de génération de photons intriqués est aussi élevée que celle des meilleurs cristaux non linéaires, tels que le niobate de lithium, d’épaisseur similaire. En appliquant un champ électrique de quelques volts seulement, ils ont pu activer et désactiver la génération de paires de photons, ainsi que modifier les propriétés de polarisation de ces paires. Cette découverte marque le début d’une nouvelle génération de sources lumineuses quantiques : flexibles, accordables et efficaces.

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Le framework CUISINES pour les projets de comparaison de modèles exoplanétaires, version 1.0

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Le framework CUISINES pour les projets de comparaison de modèles exoplanétaires, version 1.0

Illustration de la conception expérimentale générale du CREME exoMIP (Tsigaridis et al. en préparation), comme exemple de la façon dont l’exoMIP peut être structuré pour permettre une large participation communautaire. — Ph.EP astronomique

Alors que le télescope spatial James Webb commence à renvoyer des observations, il est plus important que jamais que les modèles climatiques exoplanétaires soient capables de prédire de manière cohérente et correcte l’observabilité des exoplanètes, de récupérer leurs données et d’interpréter les environnements planétaires à partir de ces données.

Les comparaisons entre modèles jouent un rôle crucial dans ce contexte, surtout à l’heure où peu de données sont disponibles pour valider les prédictions des modèles. Le groupe de travail CUISINES du Nexus for Exoplanet System Science (NExSS) de la NASA soutient une approche systématique pour évaluer les performances des modèles d’exoplanètes et fournit ici un cadre pour mener des projets d’intercomparaison de modèles d’exoplanètes organisés par la communauté (exoMIP).

Le cadre CUISINES adapte spécifiquement les pratiques de la communauté climatique terrestre pour répondre aux besoins des chercheurs exoplanétaires, y compris une gamme de types de modèles, de cibles planétaires et d’études spatiales paramétriques. Son objectif est d’aider les chercheurs à travailler collectivement, équitablement et ouvertement pour atteindre des objectifs communs.

Le cadre CUISINES repose sur cinq principes : 1) Définir à l’avance la ou les questions de recherche que exoMIP vise à aborder. 2) Créer une conception pilote qui maximise la participation de la communauté et en faire la publicité largement. 3) Planifiez un calendrier de projet qui permet à tous les membres d’exoMIP de participer pleinement. 4) Créer des produits de données à partir des résultats du modèle pour une comparaison directe avec les observations. 5) Créez un plan de gestion des données applicable aujourd’hui et évolutif à l’avenir.

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Au cours des premières années de son existence, CUISINES fournit déjà un soutien logistique à 10 exoMIP et continuera à organiser des ateliers annuels pour approfondir les commentaires de la communauté et présenter de nouvelles idées d’exoMIP.

Linda E. Sohl, Thomas J. Fuchez, Sean Domagal-Goldman, Duncan A. Christie, Russell Detrick, Jacob Haque-Misra, C.E. Harman, Nicholas Iero, Nathan J. Mayne, Costas Tsigarides, Geronimo L. Villanueva, Ambre V. Jeune, Guillaume Chaverot

Commentaires : 14 pages, deux numéros
Sujets : Astrophysique terrestre et planétaire (astro-ph.EP) ; Instruments et méthodes astrophysiques (astro-ph.IM)
Citer comme : arXiv:2406.09275 [astro-ph.EP] (ou arXiv :2406.09275v1 [astro-ph.EP] pour cette version)
Date de soumission
Qui : Linda Suhl
[v1] Jeudi 13 juin 2024, 16:14:22 UTC (903 Ko)
https://arxiv.org/abs/2406.09275
Astrobiologie

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Ingénieur – Des « mégaclusters » de satellites pourraient mettre en péril la reconstitution du trou d’ozone

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Ingénieur – Des « mégaclusters » de satellites pourraient mettre en péril la reconstitution du trou d’ozone

Le Protocole de Montréal de 1987 a réglementé avec succès les CFC nocifs pour la couche d’ozone afin de protéger la couche d’ozone, réduisant ainsi le trou d’ozone au-dessus de l’Antarctique, et une reprise est attendue dans les 50 prochaines années.

Cependant, de nouvelles recherches de Université de Californie du Sud Ecole d’Ingénieurs de Viterbi Il a montré que ces oxydes ont été multipliés par huit entre 2016 et 2022 et continueront de s’accumuler à mesure que le nombre de satellites en orbite terrestre basse (LEO) augmentera, mettant ainsi la couche d’ozone en danger dans les décennies à venir.

Les chercheurs ont expliqué que sur 8 100 objets en orbite terrestre basse, 6 000 sont des satellites Starlink lancés au cours des dernières années et que la demande d’une couverture Internet mondiale entraîne une augmentation rapide du lancement d’essaims de petits satellites de communication.

SpaceX est le leader de ce projet, avec l’autorisation de lancer 12 000 satellites Starlink supplémentaires et jusqu’à 42 000 satellites prévus. Amazon et d’autres sociétés dans le monde envisagent également de créer des constellations allant de 3 000 à 13 000 satellites, ajoutent les auteurs de l’étude.

Les satellites Internet ont une durée de vie d’environ cinq ans seulement, les entreprises doivent donc lancer des satellites de remplacement pour maintenir le service Internet, ce qui poursuit un cycle d’obsolescence programmée et de contamination imprévue, ont indiqué les chercheurs.

Les oxydes d’aluminium déclenchent des réactions chimiques qui détruisent l’ozone stratosphérique, qui protège la Terre des rayons ultraviolets. Les oxydes ne réagissent pas chimiquement avec les molécules d’ozone, mais conduisent plutôt à des réactions destructrices entre l’ozone et le chlore, conduisant à l’appauvrissement de la couche d’ozone.

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Étant donné que les oxydes d’aluminium ne sont pas consommés dans ces réactions chimiques, ils peuvent continuer à détruire molécule après molécule d’ozone pendant des décennies à mesure qu’ils dérivent dans la stratosphère, ont indiqué les chercheurs.

« Ce n’est que ces dernières années que les gens ont commencé à penser que cela pourrait devenir un problème », a déclaré Joseph Wang, chercheur en astronautique à l’Université de Californie du Sud et auteur correspondant de l’étude, dans un communiqué. « Nous avons été l’une des premières équipes à considérer les implications de ces faits. »

Puisqu’il est impossible de collecter des données sur des engins spatiaux en feu, des études antérieures ont utilisé des analyses de micrométéorites pour estimer la contamination potentielle. Cependant, les chercheurs ont indiqué que les micrométéorites contiennent très peu d’aluminium, un métal qui représente 15 à 40 % de la masse de la plupart des satellites. Ces estimations ne s’appliquent donc pas bien aux nouveaux satellites.

Au lieu de cela, les chercheurs ont modélisé la composition chimique et les liaisons au sein des matériaux satellites lors de leurs interactions aux niveaux moléculaire et atomique. Les résultats ont permis aux chercheurs de comprendre comment la matière change avec différents apports d’énergie.

L’étude a été financée par NASAIl a été constaté qu’en 2022, la rentrée des satellites a augmenté la quantité d’aluminium dans l’atmosphère de 29,5 % au-dessus des niveaux normaux.

La modélisation a montré qu’un satellite typique de 250 kg avec 30 pour cent de sa masse d’aluminium générerait environ 30 kg de nanoparticules d’oxyde d’aluminium (taille de 1 à 100 nanomètres) lors de la rentrée. La plupart de ces particules sont générées dans la mésosphère, entre 50 et 85 kilomètres (30 à 50 miles) au-dessus de la surface de la Terre.

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L’équipe a ensuite calculé que, en fonction de la taille des particules, il faudrait jusqu’à 30 ans pour que les oxydes d’aluminium dérivent jusqu’aux hauteurs stratosphériques, où se trouvent 90 % de l’ozone troposphérique.

Les chercheurs estiment qu’au moment où les constellations de satellites actuellement prévues seront achevées, 912 tonnes d’aluminium tomberont sur Terre chaque année. Cela libérerait environ 360 tonnes d’oxydes d’aluminium par an dans l’atmosphère, soit une augmentation de 646 % par rapport aux niveaux naturels.

L’étude a été publiée dans la revue en libre accès AGU Lettres de recherche géophysiqueentièrement lisible ici.

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