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A la recherche de planètes habitables

Rechercher les étoiles propices au développement de la vie (II)

Afin que nous puissions évaluer l’habitabilité d’une exoplanète tellurique, ce qu'on appelle l'indice d'habitabilité planétaire, l'exoplanète doit se trouver suffisamment près du système solaire pour que nous puissions braquer sur elles nos plus puissants instruments d’investigation.

Une bonne méthode pour trouver des exoplanètes dans la zone habitable est de mesurer la vitesse radiale des systèmes planétaires les plus proches, une méthode inventée par les astronomes suisse Mayor et Queloz.

Découvrez des exoplanètes : K2 - Planet hunters (applications Zooniverse)

A gauche, les mesures Doppler de l'étoile naine brune GJ 436 (M2.5V) obtenues à l'Observatoire Keck ont permis d'estimer la vitesse radiale de son compagnon planétaire qui suit un mouvement d'oscillation périodique compatible avec les lois de Kepler sur le mouvement orbital. Sa période est de 2.6 jours, sa vitesse radiale de 18.1 m/s, son excentricité 0.12 (voisine de zéro) pour une masse estimée à 0.067 fois celle de Jupiter ou 1.2 fois celle de Neptune ou encore 21 fois celle de la Terre. L'étoile naine hôte de 0.42 masse solaire est âgée d'au moins 3 milliards d'années. Documents ApJ Dec 2004 et K.M.Penev et al./HATSouth network.

Cette méthode spectroscopique permet de détecter toute perturbation induite par l’attraction gravitationnelle d’une éventuelle planète en orbite autour de l’étoile en mesurant son effet Doppler. Ce projet est en cours depuis quelques années et donne d'excellents résultats.

La détection directe d'exoplanètes telluriques est très difficile à la fois en raison de leur faible luminosité et leur faible séparation angulaire par rapport à l’étoile centrale.

Lorsqu’une exoplanète est détectée, des observations réparties tout au long de son « année » permettent de déterminer sa période orbitale ainsi que sa distance à son étoile. Ces paramètres permettent déjà d’avoir quelques indices sur la température de la planète, par exemple si elle réside ou non dans la zone habitable de l’étoile.

Outre la nature du sol et des interactions possibles avec son étoile évoqués précédemment, un autre paramètre clé est la taille de la planète, et donc sa masse. Même si cette exoplanète orbite dans la zone habitable, nous savons qu'elle n’est pas viable pour autant. En effet, rien que sur le plan gravitationnel, si sa masse est trop petite, elle ne pourra jamais retenir son atmosphère, tandis qu’une planète trop massive présentera une atmosphère si épaisse que la lumière de son étoile n’atteindra jamais sa surface. Bien sûr, des créatures peuvent vivre dans pénombre du terminateur ou même dans l'obscruité totale, mais pour en avoir la certitude il faudra débarquer sur ces éventuelles exoploanètes.

Simulation de l'oscillation périodique d'une étoile en interaction gravitationnelle autour de son centre de mase ou barycentre. Ce mouvement périodique permet de prédire l'existence d'une exoplanète et de calculer sa masse car sans sa présence l'étoile serait immobile. Document NASA.

La masse de la planète détermine également la probabilité d’existence de plaques tectoniques qui, en retour peuvent jouer un rôle important dans le recyclage des matériaux de surface et donc affecter les conditions physico-chimiques qui prédisposent à l’apparition et au développement de la vie.

Si on découvre des exoplanètes semblables à la Terre en orbite autour des étoiles proches, leur masse et leur chimie atmosphérique et de surface devront directement être déterminées grâce aux nouveaux télescopes orbitaux dont la résolution sera au moins 50 fois supérieure à celle du télescope Hubble. Dans le cas inverse la taille de l’exoplanète devait au moins être estimée soit à partir des données relevées dans le proche infrarouge soit à partir de son albedo. Enfin, à partir de la taille de l’exoplanète et connaissant la relation entre taille, masse et environnement thermique des planètes telluriques, on pourra raisonnablement estimer la masse de la planète. De beaux défis en perspectives.

Identifier les biosignatures

Par biosignature, on entend un signal (spectral, photométrique ou temporel) dont l’origine requiert un agent biologique. Pour découvrir des traces passées ou présentes de vie au-delà du système solaire, nous devons identifier des biosignatures fiables et apprendre de quelle manière les mesurer dans l’environnement des exoplanètes.

Découverte sur les bords du lac de Grand Prismatic Spring dans le parc de Yellowstone en 2002, cette structure mesure environ 30 cm de longueur. Les biologistes pensent qu'il s'agirait d'une colonie de bactéries. Si elle était ensevelie dans l'argile et préservée, elle serait considérée comme un biomarqueur car on voit mal comment elle se formerait autrement. Document LPI.

Les planètes peuvent bien sûr abriter des structures non-biologiques qui ressemblent voire copient les biosignatures. Il faut donc en avoir une compréhension aussi parfaite que possible pour éviter les mauvaises surprises. Tout le monde sait qu’un cristal en croissance présente quelques signes assez proche d’un organisme vivant, mais il est bel et bien inerte.

En dressant la liste des biosignatures et de leurs « imitations » non-biologiques nous devons embrasser une grande diversité de biota et de conditions physico-chimiques à travers l’univers, dont le nombre dépasse probablement de loin la diversité terrestre.

Lorsque ces signatures de la vie seront identifiées, nous pourrons les utiliser pour détecter d’éventuelles traces de vie présente ou passée sur d’autres planètes en orbite autour des étoiles proches.

L’une des biosignatures les plus importantes est l’oxygène. Sur Terre, ce gaz est produit par la photosynthèse assurée par les plantes vertes qui utilisent la lumière du Soleil pour convertir le dioxyde de carbone et l’eau en hydrates de carbone.

Une fois créé, l’oxygène moléculaire peut se combiner avec d’autres molécules dans un processus d’oxydation, ce qui tend à faire disparaître sa signature spectrale à moins que son taux de concentration soit entretenu par un processus continu, ce qui est le cas sur Terre à travers la photosynthèse.

Ainsi une concentration importante d’oxygène, ainsi que de vapeur d’eau et dioxyde de carbone suggère fortement que la vie est présente. L’oxygène moléculaire est détectable dans la partie rouge du spectre tandis que l’ozone produit par photolyse est détectable dans les parties visible et infrarouge du spectre.

La recherche des biosignatures de l’oxygène ou de l’ozone est l’une des principaux objectifs des futures missions spatiales consacrées à l'exobiologie.

Une biosignature potentielle est celle du méthane, un gaz qui est produit par les organismes vivants, mais il peut également avoir une origine non biologique. Une autre biosignature est l’oxyde d’azote - le monoxyde d'azote (NO) et le dioxyde d'azote (NO2) - qui est produit par les organismes vivants et par les processus de combustion (les industries, les moyens de transport). Malheureusement, ces gaz ne sont pas très abondants dans l’atmosphère terrestre – leur signature spectrale est faible – et leur détection sur une exoplanète semblable à la Terre nécessitera probablement l’utilisation d'une nouvelle génération de détecteurs.

Pour identifier les principales biosignatures, les bioastronomes doivent à la réaliser des observations sur le terrain et en laboratoire mais également effectuer des simulations théoriques afin de déterminer les relations entre les structures et les fonctions des écosystèmes microbiens et les produits gazeux qu’ils produisent.

Les écosystèmes similaires à l’ancienne biosphère terrestre (c’est-à-dire basés sur la chimiosynthèse, la photosynthèse réductrice, les communautés thermophiles et souterraines, etc) devraient également être inclus dans cette étude puisque tout indique que sur Terre ils ont participé et participent encore au développement de la vie dans les milieux hostiles ou pour le moins éloignés des conditions ordinaires de survie.

Les effets de paramètres aussi importants que la température et l’abondance de l’eau, du gaz carbonique et de l’oxygène devraient être évalués car ils varient au cours de l’évolution d’une planète. Les processus écologiques qui ont été affectés par l’oxygène libéré par la photosynthèse jouent un rôle clé, non seulement parce qu’ils déterminent le taux net d’oxygène de l’atmosphère, mais également parce que la photosynthèse est potentiellement capable de produire des taux importants de gaz biotiques, y compris des espèces réductrices.

Les planètes habitables sont géologiquement actives et c’est la raison pour laquelle elle peuvent créer des entités non biologiques simulant des biosignatures.

Les processus hydrothermaux par exemple qui se manifestent sur une exoplanète peuvent former une écorce tellurique plus réductrice que ce que la Terre peut produire à partir du méthane et à des taux comparables aux taux biologiques terrestres. Pour citer un autre exemple, les processus non biologiques produisant de l’oxygène peuvent être suffisamment productifs pour atteindre des seuils où ils sont détectables dans l’atmosphère d’une planète géologiquement moins active que la Terre. C’est pourquoi il est impératif de déterminer les conditions environnementales de toute exoplanète sur laquelle des biosignatures auraient été identifiées.

Biosignatures dans le spectre visible de la Terre. Ces profils spectraux permettent de savoir à distance si une planète supporte ou non des conditions compatibles avec la vie. A gauche et au centre, le profil spectral indique la température de la planète et qu'elle permet l'existence d'eau liquide; la forte absorption du gaz carbonique indique que la planète possède une atmosphère; la bande de l'ozone signifie qu'il existence beaucoup d'oxygène, probablement produit par la vie; enfin, les bandes de l'eau indique que l'eau est abondante, indiquant qu'il y a un océan. Document TPF/JPL et N.J. Woolf et al., ApJ 574: 430-433. A droite, en même temps que l'étude de Woolf et consorts, un travail similaire et plus complet sur le spectre de la lumière cendrée a été réalisé en France par L. Arnold et al. La courbe de droite indique sans équivoque que la Terre est une "planète bleue" avec une très forte réflexion de la lumière dans les courtes longueurs d'ondes en raison de la couleur du ciel ainsi qu'une variation typique d'intensité provoquée par la végétation qui commence vers 725 nm. Ces résultats furent publiés dans Astronomy and Astrophysics, 392, p231-237 en 2002 dont voici la copie au format PDF.

Les biosignatures que l’on détecteraient dans les atmosphères et sur les surfaces planétaires peuvent être altérées chimiquement par l’effet de la lumière et d’autres réactions qui se manifestent dans les atmosphères gazeuses ainsi que dans les nuages de la basse atmosphère. Ces gaz peuvent également être transportés dans la haute atmosphère et subir des réactions additionnelles.

Enfin, même dans la zone habitable, les biosignatures peuvent avoir un cycle de vie très court en raison de l'activité géologique très active en surface (cf. Tau Ceti) ou celle de l'activité intense de l'étoile (cf. Trappist-1).

Les questions qui sont posent dans ce contexte sont donc de savoir quelles sont les biosignatures qui peuvent survivre à ces processus atmosphériques (une chimie particulièrement extrême) ou aux processus stellaires (par exemple des éruptions fréquentes et puissantes de l'étoile hôte) ? Et sous quelle forme chimique ces éléments abiotiques, prébiotiques ou vivants survivent-ils ? Enfin, comment leur survie ou leur transformation varie-t-elle en fonction de la structure verticale de l’atmosphère, de sa composition, de la température, de la circulation et de la quantité de nuages ?

Tant les études en laboratoire que les simulations sont nécessaires pour explorer les propriétés d’éventuelles exoplanètes habitables dont la structure serait différente de celle de notre propre atmosphère. Parmi celles-ci citons les atmosphères pauvres ou manquant d’oxygène moléculaire et/ou comprenant des nuages de composition variable, y compris des constituants que l’on rencontre à la limite de la zone habitable (par exemple des nuages dense d’eau en suspension, des nuages de gaz carbonique) ou sur une planète très jeune.

Sur base des connaissances que nous avons de l’évolution de la vie sur Terre, on s’attend à ce que les signature spectrales de la vie sur une autre planète dépendent essentiellement de l’âge de la planète. Les chercheurs en astrobiologie de la NASA comptent parmi les experts les plus compétents en cette matière et devront aider les chercheurs à expertiser de quelle manière ces signes de vie peuvent apparaître à différents stades de l’évolution d’une planète, y compris sur les planètes dont les propriétés et l’évolution sont différentes de celle de la Terre.

Rechercher les traces de vie sur les exoplanètes

La connaissance certaine des profils spectraux indiquant la présence d’une vie sur une exoplanète ainsi que les indices technologiquement parlant les plus faciles à mesurer sont des facteurs très importants qui conditionnent la conception de tout mission d'exobiologie. Les missions d'exobiologie doivent disposer de suffisamment de moyens spectroscopiques pour rechercher les atmosphères les plus riches sous-tendant une activité organique.

Les différentes méthodes de détection des exoplanètes. Documents Michael erryman/Obs.de Paris.

Les plans actuels considèrent qu’il faudrait découvrir et étudier les exoplanètes telluriques orbitant autour de n’importe quelle des 150 étoiles similaires au Soleil situées à moins de 15 parsecs du système solaire. Toutefois, la dimension de cet espace sera redéfini à mesure que l’on recueillera plus d’information sur la rareté ou l’abondance du phénomène, notamment à partir des résultats des missions COROT (2008) et Kepler (2009).

Même la détection d’une seule exoplanète porteuse de vie sera considérée par tous les scientifiques comme une découverte majeure. A l’inverse, le fait d’apprendre qu’il n’existe aucune exoplanète dans notre voisinage supportant des conditions propices à la vie impliquera une toute aussi sérieuse conclusion statistique quant aux conditions de son apparition.

Aujourd’hui, on peut malgré tout supposer qu’à moins que les exoplanètes concernées présentent de très fortes biosignatures et soient répandues autour des étoiles solaires, cette recherche nécessitera les instruments les plus sophistiqués, plus complexes que les moyens mis actuellement en oeuvre.

Au-delà de la conception de ces missions, demeure la question ultime de savoir si la vie existe dans ce vaste univers, par exemple sur des exoplanètes orbitant autour d’étoiles si éloignées que nous n’avons aucune chance de détecter leurs biosignatures spectrales...

En fait on ne peut répondre à cette question qu'en extrapolant à partir de nos connaissances de l’évolution de la vie dans le système solaire, en essayant de déterminer une certaine probabilité d’existence dans toute la Galaxie ou dans celle d’Andromède, ou même à tout l’univers. Si on trouve partout des traces de vie dans notre proche banlieue stellaire, on pourra alors conclure que la vie est un phénomène ordinaire dans notre Galaxie et même dans les contrées les plus éloignés de l’univers. Mais si la vie est absente de tous les environnements extraterrestres que nous explorerons, dans cette éventualité nous aurons une estimation de la rareté du phénomène et combien son apparition sur Terre fut un évènement hautement improbable mais également le cadeau le plus précieux que nous ait fait dame Nature.

Pour plus d’informations

A la recherche des exoplanètes (sur ce site)

La vie autour des étoiles géantes rouges (sur ce site)

Galileo à la recherche de la vie sur Terre (sur ce site)

Le projet PlanetQuest (sur ce site)

Looking for Terrestrial Vegetation Signature in Earthshine, L.Arnold et al. (PDF)

Biomarkers and biosignatures (LPI)

Exoplanet Exploration Program, NASA

La mission Life Finder (LF)

Mission Kepler (JPL)

Mission Kepler

CHEOPS, ESA

TESS, NASA

Lex exoplanètes (Obspm, Java)

The Extrasolar Planets Encyclopaedia (CNRS)

New Worlds Atlas (NASA)

Planet Quest (JPL)

California & Carnegie Planet Search

Space Interferometry Mission (SIM Lite)

K2 (application Zooniverse pour découvrir des exoplanètes)

Planet hunters (application Zooniverse pour découvrir des exoplanètes)

Illustrations

Alien Worlds (Thierry Lombry)

Extrasolar Visions (John Whatmoug et al)

Extrasolar Planets (Mike Matessa)

The Worlds of David Darling

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