Habitabilité des planètes avec un modèle numérique de climat. Application aux planètes extrasolaires et à Mars primitif

Habitability of planets using numerical climate models. Application to extrasolar planets and early Mars

• Auteur / Autrice : Martin Turbet
• Direction : François Forget
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique
• Date : Soutenance le 03/09/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Le Bourlot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raymond T. Pierrehumbert, Jérémy Leconte, Emmanuel Marcq, Ha Tran
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : James F. Kasting, Giovanna Tinetti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie astronomique

Climatologie des planètes

Habitabilité (astronomie)

Atmosphère

Exoplanètes

Mars (planète) -- Atmosphère

Mots clés libres

Habitabilité

Climat

Exoplanètes

Mars

Spectroscopie

Modélisation

Habitability

Climate

Planets

Mars

Spectroscopy

Modelization

Résumé

Avec la découverte d'anciens réseaux de rivières sur Mars et la détection de planètes telluriques tempérées autour d'étoiles voisines, nous disposons à présent d'un terrain de jeu formidable pour explorer si la vie est abondante ou rare dans l'Univers. Mon travail de thèse vise à mieux comprendre les conditions dans lesquelles une planète peut maintenir de l'eau liquide - substrat essentiel de la vie - à sa surface. À l'aide de modèles numériques de climat 3-D, et de calculs et mesures spectroscopiques, j'ai mené pendant ma thèse deux enquêtes. Premièrement, j'ai exploré les climats passés de Mars, pour comprendre comment se sont formées les énigmatiques rivières martiennes. À part la Terre, Mars est la seule planète qui a été habitable, mais nous ne savons toujours pas pourquoi. J'ai montré que les évènements extrêmes (formation des vallées de débâcle, impacts de météorites) qui ont pourtant profondément marqué la surface de Mars ne peuvent pas expliquer à eux seuls la formation de ces réseaux fluviaux. Mes travaux de thèse ont également permis d'établir que la présence de gaz à effet de serre réduits (hydrogène, méthane) offre une solution alternative prometteuse. Deuxièmement, j'ai étudié les atmosphères possibles des exoplanètes solides et tempérées, notamment celles orbitant autour de petites étoiles comme Proxima et TRAPPIST-1. J'ai montré que certaines de ces planètes ont des caractéristiques très favorables à la présence d'eau liquide en surface. Ce résultat est d'autant plus prometteur qu'il sera possible - comme démontré dans ma thèse pour le cas de la planète Proxima b - de caractériser l'atmosphère de ces planètes avec les futurs télescopes JWST et ELTs.

Ancient rivers and lakes discovered on Mars. Numerous temperate, Earth-sized exoplanets detected around nearby stars. Thanks to ground and space-based telescope observations and Solar System exploration missions, we now have a fantastic playground to explore how prevalent life is in the Universe. The main goal of my thesis work is to better understand the conditions necessary for a planet to maintain liquid water - a primary building block for life - on its surface. Using 3-D numerical climate models, as well as spectroscopic calculations and measurements, I conducted two major investigations during my thesis. First, I explored the environments of ancient Mars at multiple epochs in order to understand the conditions in which the enigmatic Martian rivers were carved. Apart from Earth, Mars is the only planet that has been habitable, but we don't know why. I showed that extreme events (outflow channel formation, meteoritic impacts) that scarred the surface of Mars cannot explain the formation of these valley networks. Nonetheless, I showed that the presence of reducing greenhouse gases such as hydrogen and methane offers a promising alternative solution. Secondly, I studied the possible atmospheres of solid, temperate exoplanets, with a particular focus on those orbiting small stars such as Proxima Centauri and TRAPPIST-1. I showed that some of these planets have characteristics that are highly favourable to the presence of liquid water on their surface. This result is really promising as it will be soon become possible - as demonstrated in my thesis for Proxima b - to characterize the atmosphere of these planets with the future JWST and ELTs astronomical observatories.