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A la recherche de planètes habitables

Photo de l'étoile carbone CW Leonis (C9.5e) prise en 2010 par l'observatoire spatial Herschel. C'est une étoile variable géante dont la température effective varie entre 2400 et 3700 K. Document ESA/Herschel.

Comment les étoiles variables distribuent le carbone (III)

Comme le disait Hubert Reeves en paraphrasant Carl Sagan, "Nous sommes des poussières d'étoiles" (we are made of star stuff). Mais comment les étoiles produisent ces "poussières", c'est-à-dire les molécules carbonées essentielles à la vie ? Grâce au télescope aéroporté SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) de la NASA, les astrophysiciens ont trouvé la réponse en observant les étoiles variables (pulsantes) dont l'atmosphère se dilate et se contracte comme un coeur qui bat.

Dans un article publié dans "The Astrophysical Journal" (en PDF sur arXiv) en 2020, Kathleen Kraemer du Collège de Boston et ses collègues ont décrit les résultats des observations de plusieurs types d'étoiles variables au moyen de SOFIA afin de déterminer comment le carbone est éjecté dans le milieu interstellaire sachant qu'il s'agit d'un ingrédient clé de la vie telle que nous la connaissons.

Pour rappel, le carbone est créé dans le coeur des étoiles au cours de la fusion de l'hélium (cf. la réaction triple alpha). À mesure que les étoiles évoluent, ce carbone peut être transporté jusqu'à la surface de l'étoile. Ensuite, il doit être éjecté dans l'espace, notamment grâce au vent stellaire pour qu'il soit disponible comme ingrédient de la vie (cf. la chimie prébiotique).

Grâce à SOFIA, les chercheurs ont découvert que certaines étoiles Mira, des géantes rouges en phase avancée présentant des pulsations particulièrement importantes, peuvent engendrer de puissants vents stellaires qui éjectent du gaz et de la poussière riche en carbone (C, CO, C2H2 , CS, SiC) dans l'espace interstellaire. Notons que durant cette phase l'enveloppe stellaire contient des molécules d'eau (cf. la phase géante) qui s'échappent dans l'espace et sont photodissociées en éléments plus simples comme l'hydroxyle OH.

En revanche, les étoiles variables ayant des pulsations beaucoup plus faibles comme les semi-régulières ne peuvent pas émettre un vent aussi efficace.

En conclusion, les étoiles de type Mira sont donc responsables de la distribution de grandes quantités de carbone dans l'univers.

Selon Kraemer, "Nous savons que les produits chimiques essentiels comme le carbone proviennent des étoiles. Mais ces fortes pulsations aident à expliquer comment le carbone s'éloigne des étoiles pour devenir des structures plus complexes qui, dans le cas de la Terre, sont finalement devenues de l'ADN, des protéines et des graisses - la vie".

La Terre vue par des extraterrestres

Lorsque les astronomes pointent leurs télescopes sur des exoplanètes, vu leur distance la plupart du temps ils n'aperçoivent au mieux qu'un seul point de lumière ou une petite tache très floue (cf. les exoplanètes sous la loupe). Dans ces conditions, comment peuvent-ils savoir si cette exoplanète  présente des conditions propices à la vie ?

Pour le savoir, en 1990 Carl Sagan avait proposé une expérience visant à contrôler les performances des instruments embarqués à bord de la sonde spatiale Galileo. Les capteurs avaient détecté de grandes concentrations d'oxygène, d'eau et de méthane, des signatures compatibles avec la vie. Galileo détecta également des émissions radios à bande étroite, modulées en amplitude et pulsées qui s’échappaient de l’ionosphère, surtout la nuit, typique de l'activité d'une civilisation avancée. Il ne faisait aucun doute, Galileo pouvait détecter des exoplanètes portant la vie.

De la même façon, en 2017 le planétologue Stephen Kane de l'Université de Californie à Riverside simula l'aspect de la Terre vue dans un grand télescope depuis une étoile située à quelques années-lumière, sachant que son image serait réduite à quelques pixels. La reconstruction informatique donna l'image présentée ci-dessous à gauche. La revue "Science" publia un bref compte-rendu de cette simulation.

Puis en 2019, le planétologue Siteng Fan du Caltech et ses collèges firent une expérience similaire en simulant l'aspect qu'aurait la Terre vu d'une autre étoile. Les chercheurs ont sélectionné ~10000 images de notre planète prises par le satellite DSCOVR (Deep Space Climate Observatory) de la NASA, qui se trouve sur le point de Lagrange L1 situé entre la Terre et le Soleil, lui permettant de ne voir que le côté diurne de la planète. Les images ont été prises à 10 longueurs d'ondes différentes toutes les 1 à 2 heures en 2016 et 2017.

Deux expériences respectivement réalisées en 2017 et en 2019 simulant l'aspect de la Terre vue depuis une étoile située à quelques années-lumière. Consulter le texte pour les explications. Documents NASA/DSCOVR/EPIC/Stephen Kane et S.Fan et al. (2019).

Pour simuler le point de vue d'un système extrasolaire, les chercheurs ont réduit les images en une seule lecture de luminosité pour chaque longueur d'onde soit 10 points de mesure qui, lorsqu'ils sont tracés au fil du temps, produisent 10 courbes de lumière qui représentent ce qu'un observateur éloigné pourrait voir s'il observait régulièrement la Terre pendant deux ans.

Lorsque les chercheurs ont analysé les courbes et les ont comparées avec les images originales, ils ont déterminé quels paramètres des courbes correspondaient à la couverture nuageuse et aux zones terrestre dans les images. Ayant ces relations, ils ont choisi le paramètre le plus étroitement lié à la superficie terrestre, l'ont ajusté pour la rotation de 24 heures de la Terre et ont construit la carte de contour présentée ci-dessus à droite. Les résultats de cette simulation furent publiés dans "The Astrophysiscal Journal" (en PDF sur arXiv) en 2019.

Les courbes noires délimitent les valeurs médianes du paramètre terrestre et représentent approximativemt le contour des côtes. On distingue approximativement en vert l'Afrique (centre), l'Asie (en haut à droite) et l'Amérique du Nord (à gauche). Bien que cela ne remplace évidemment pas une image réelle d'une exoplanète tellurique viable, ce genre d'excercice permet aux astronomes d'évaluer si une exoplanète a des océans, des nuages et des calottes glaciaires - des exigences clés pour un monde habitable.

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 et le nombre d'astres détecté avec chaque méthode. Documents Michael Erryman/Obs.de Paris adapté par l'auteur.

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 pc (~50 a.l.) du système solaire. Toutefois, la dimension de cet espace sera redéfinie à mesure que l’on recueillera plus d’informations 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)

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

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

L'échelle CoLD (sur ce site)

Habitable Planets Around White and Brown Dwarfs: The Perils of a Cooling Primary, Rory Barnes et René Heller, Astrobiology, 2013

Looking for Terrestrial Vegetation Signature in Earthshine (PDF), L.Arnold et al., 2002

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)

Planet hunters (application Zooniverse pour découvrir des exoplanètes).

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