Pour être considérée comme habitable, une planète doit avoir de l'eau liquide. Les cellules, la plus petite unité de vie, ont besoin d'eau pour remplir leurs fonctions. Pour que l'eau liquide existe, la température de la planète doit être correcte. Mais qu'en est-il de la taille de la planète?
Sans masse suffisante, une planète n'aura pas suffisamment de gravité pour retenir son eau. Une nouvelle étude tente de comprendre comment la taille affecte la capacité d'une planète à retenir son eau et, par conséquent, son habitabilité.
La question de ce qui pourrait rendre une planète habitable est un débat permanent. Non seulement pour les exoplanètes, mais pour certaines des lunes de l'avenir de notre propre système solaire. Les scientifiques ont une assez bonne idée de la quantité d'énergie qu'une planète doit recevoir de son étoile pour maintenir l'eau liquide. Cela a donné naissance à la notion populaire de la «zone des Boucles d'or» ou de la zone habitable circumstellaire, une plage de proximité qui n'est ni trop proche ni trop éloignée d'une étoile pour que l'eau liquide persiste sur une planète.
Avec la recherche d'exoplanètes dans les zones habitables, et alors que nous obtenons de meilleurs télescopes et techniques pour étudier les exoplanètes plus en détail, les scientifiques ont besoin de plus de contraintes sur les planètes sur lesquelles dépenser pour observer les ressources. Comme le montre cet article, la masse d’une planète pourrait être un filtre utile.
Le nouveau document est intitulé «Évolution atmosphérique sur les mondes aquatiques de faible gravité». Il est publié dans The Astrophysical Journal. L'auteur principal est Constantin W. Arnscheidt, étudiant diplômé au MIT.
Pour maintenir de l'eau liquide à sa surface et une atmosphère, une exoplanète ou une exomoon doit avoir suffisamment de masse, sinon l'eau et l'atmosphère dériveront simplement dans l'espace. Et il doit conserver son eau assez longtemps pour que la vie apparaisse. Les astronomes utilisent un chiffre approximatif d'un milliard d'années pour que cela se produise.
"Lorsque les gens pensent aux bords intérieurs et extérieurs de la zone habitable, ils ont tendance à ne penser qu'à elle dans l'espace, ce qui signifie à quel point la planète est proche de l'étoile", a déclaré Constantin Arnscheidt, premier auteur de l'article. «Mais en réalité, il existe de nombreuses autres variables à l'habitabilité, y compris la masse. Fixer une limite inférieure pour l'habitabilité en termes de taille de la planète nous donne une contrainte importante dans notre recherche continue d'exoplanètes et d'exomoon habitables. »
La taille et la portée de la zone habitable dépendent de l'étoile. Une étoile plus petite et moins énergique comme une naine rouge crée une zone habitable plus proche d'elle-même qu'une étoile plus grande comme notre Soleil. C'est bien compris. Si une planète est trop éloignée de l'étoile, l'eau gèle. Trop près, l'effet de serre incontrôlable se produit, et l'eau se transforme en vapeur et peut bouillir dans l'espace.
Mais pour les petites planètes de masse inférieure, il se passe plus. Ils peuvent être capables de résister à l'effet de serre galopant.
Alors qu'une planète de masse inférieure se réchauffe, l'atmosphère se dilate. Il devient plus grand par rapport à la taille de la planète qu'il entoure. Cela a deux effets: l'augmentation de la taille de la surface signifie que l'atmosphère peut absorber plus d'énergie qu'auparavant et qu'elle peut également émettre plus d'énergie qu'auparavant.
Le résultat global de cela, selon les chercheurs, est que l'atmosphère élargie bloque l'effet de serre incontrôlable et qu'ils peuvent maintenir leur eau liquide de surface. Cela signifie qu'ils peuvent être plus proches de leur étoile sans perdre leur eau, élargissant ainsi la zone Goldilocks pour les petites exoplanètes.
Il y a bien sûr une limite. Si une planète de faible masse est trop petite, elle n'aura pas assez de gravité et l'atmosphère sera éliminée et l'eau sera soit éliminée avec elle, soit gelée à la surface. Cela signifie que les perspectives de vie sont sombres. Les chercheurs disent qu'il existe une limite inférieure critique pour qu'une planète soit habitable. Cela signifie qu'il y a non seulement une bande de proximité avec l'étoile qui détermine l'habitabilité d'une planète, mais aussi une limite de taille.
En termes simples, une planète peut être trop petite pour être habitable, même si elle se trouve dans la zone Boucle d'or.
Selon Arnscheidt et les autres auteurs de l'étude, cette taille critique représente 2,7% de la masse de la Terre. Ils disent que tout est plus petit que cela, et la planète ne pourra tout simplement pas conserver son atmosphère et son eau assez longtemps pour que la vie apparaisse. Pour le contexte, la Lune représente 1,2% de la masse de la Terre et Mercure est de 5,53%.
Les chercheurs utilisent des planètes semblables à des comètes comme exemple. Les comètes ont beaucoup d'eau, ce qui est sublimé lorsqu'elles s'approchent du soleil. Mais ils n'ont pas la masse requise pour retenir cette vapeur, et ils ne peuvent jamais former une atmosphère. L'eau est perdue dans l'espace. Ainsi, une planète trop petite, même si elle avait beaucoup d'eau, ne s'y accrocherait jamais.
Les chercheurs ont utilisé des modèles pour estimer la zone habitable de la planète de faible masse autour de deux types d'étoiles différents: une étoile de type M, ou naine rouge, et une étoile de type G comme notre Soleil.
Ils peuvent également avoir résolu une autre question de longue date de l'habitabilité dans notre propre système solaire. Les lunes de Jupiter, Ganymède, Callisto et Europa ont toutes beaucoup d'eau liquide, piégée sous des couches de glace. Les astronomes se sont demandé s'ils seraient habitables lorsque le Soleil irradiera plus d'énergie à un moment donné de son avenir stellaire. Mais selon les travaux des auteurs, ils n'ont pas la masse nécessaire pour retenir cette eau, même s'ils sont devenus suffisamment chauds. Ganymède se rapproche, à 2,5% de la masse de la Terre, mais il est assez petit pour ressembler à une comète et perdre toute son eau dans l'espace.
«Les mondes aquatiques de faible masse sont une possibilité fascinante dans la recherche de la vie, et cet article montre à quel point leur comportement est susceptible d'être comparé à celui des planètes semblables à la Terre», a déclaré Robin Wordsworth, professeur agrégé de sciences et d'ingénierie de l'environnement à SEAS et auteur principal de l'étude. "Une fois que les observations pour cette classe d'objets deviendront possibles, il sera passionnant d'essayer de tester ces prédictions directement."
Les chercheurs ont fait certaines hypothèses nécessaires dans leur travail. Ils ont supposé que l'atmosphère de leurs mondes de faible masse était de la vapeur d'eau pure. Ils ont également supposé que l’eau était fixée à 40% de la masse de la planète. Ils ont également ignoré certains autres facteurs, comme le cycle du CO2, la couverture nuageuse et la chimie des océans. Il y a tout simplement trop de variables à modéliser à ce stade de leur travail.
Les auteurs abordent également l'idée d'exomons habitables plutôt que d'exoplanètes. Il est concevable que dans d'autres systèmes solaires, les lunes soient plus susceptibles d'être habitables que les planètes. Dans ce cas, d'autres facteurs entrent en jeu, comme les forces de marée. Cela pourrait être particulièrement vrai autour des étoiles de type M ou des naines rouges. C'est parce que la zone habitable circumstellaire autour de ces étoiles de basse énergie est déjà beaucoup plus proche de l'étoile qu'autour d'une étoile de type G comme notre Soleil. Les forces gravitationnelles combinées de l'exomoon, de sa planète et de l'étoile pourraient éliminer complètement l'habitabilité.
Ils reconnaissent également certains des nombreux autres facteurs qui influencent l'habitabilité. Par exemple, même si les lunes comme Ganymède peuvent être trop petites pour être habitables dans leur modèle, leur vie pourrait très bien être dans leurs océans souterrains, où l'eau est empêchée de s'échapper par une épaisse couche de glace.
Il reste encore beaucoup à faire pour déterminer l’habitabilité. Comme le disent les auteurs dans leur article, «d'autres travaux pourraient envisager des modèles plus complexes d'évacuation hydrodynamique». Il y a plus de variété et de complexité dans les exoplanètes que nous ne le savons actuellement, mais cette étude commence à en traiter une partie.
Plus:
- Communiqué de presse: Une zone de bouchons d'or pour la taille de la planète
- Document de recherche: évolution atmosphérique sur les mondes aquatiques de faible gravité
- Space Magazine: Quelles zones habitables sont les meilleures pour rechercher réellement la vie?
