En regardant vers l'avenir, la NASA et d'autres agences spatiales ont de grands espoirs dans le domaine de la recherche sur les planètes extra-solaires. Au cours de la dernière décennie, le nombre d'exoplanètes connues a atteint à peine 4000, et on s'attend à en trouver beaucoup plus une fois que les télescopes des prochaines générations seront mis en service. Et avec tant d'exoplanètes à étudier, les objectifs de recherche se sont lentement déplacés du processus de découverte vers la caractérisation.
Malheureusement, les scientifiques sont toujours en proie au fait que ce que nous considérons comme une «zone habitable» est soumis à de nombreuses hypothèses. Pour résoudre ce problème, une équipe internationale de chercheurs a récemment publié un article dans lequel elle indiquait comment les futures enquêtes sur les exoplanètes pourraient regarder au-delà des exemples analogiques de la Terre comme indications d'habitabilité et adopter une approche plus globale.
Le document, intitulé «Prédictions des zones habitables et comment les tester», a récemment été publié en ligne et a été soumis en tant que livre blanc à l'Astro 2020 Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics. L'équipe derrière elle était dirigée par Ramses M. Ramirez, chercheur au Earth-Life Science Institute (ELSI) et au Space Science Institute (SSI), qui ont été rejoints par des co-auteurs et cosignataires de 23 universités et institutions.
L'enquête décennale a pour objet de prendre en compte les progrès réalisés précédemment dans divers domaines de recherche et de fixer des priorités pour la prochaine décennie. À ce titre, l'enquête fournit des orientations cruciales à la NASA, à la National Space Foundation (NSF) et au Département de l'énergie alors qu'ils planifient leurs objectifs de recherche en astronomie et en astrophysique pour l'avenir.
À l'heure actuelle, nombre de ces objectifs se concentrent sur l'étude des exoplanètes, qui bénéficieront dans les années à venir du déploiement de télescopes de nouvelle génération comme le Télescope spatial James Webb (JWST) et le Télescope spatial infrarouge à large champ (WFIRST), ainsi que des observatoires au sol tels que le Télescope Extrêmement Grand (ELT), le Télescope de Trente Mètres et le Télescope Géant de Magellan (GMT).
L'une des priorités absolues de la recherche sur les exoplanètes est la recherche de planètes où la vie extraterrestre pourrait exister. À cet égard, les scientifiques désignent les planètes comme étant «potentiellement habitables» (et donc dignes d’observations ultérieures) selon qu’elles orbitent ou non dans les zones habitables (HZ) de leurs étoiles. Pour cette raison, il est prudent de jeter un coup d'œil à ce qui se passe dans la définition d'un HZ.
Comme Ramirez et ses collègues l'ont indiqué dans leur article, l'un des principaux problèmes de l'habitabilité des exoplanètes est le niveau d'hypothèses formulées. Pour le décomposer, la plupart des définitions des HZ supposent la présence d'eau à la surface car c'est le seul solvant actuellement connu pour abriter la vie. Ces mêmes définitions supposent que la vie nécessite une planète rocheuse avec une activité tectonique en orbite autour d'une étoile suffisamment brillante et chaude.
Cependant, des recherches récentes ont mis en doute bon nombre de ces hypothèses. Cela comprend des études qui indiquent comment l'oxygène atmosphérique ne signifie pas automatiquement la présence de la vie - surtout si cet oxygène est le résultat d'une dissociation chimique et non de la photosynthèse. D’autres recherches ont montré comment la présence d’oxygène gazeux au cours des premières périodes de l’évolution d’une planète pouvait empêcher la montée des formes de vie de base.
De plus, des études récentes ont montré que la tectonique des plaques peut ne pas être nécessaire à l'émergence de la vie et que les soi-disant «mondes de l'eau» peuvent ne pas être capables de soutenir la vie (mais le pourraient toujours). En plus de tout cela, vous avez un travail théorique qui suggère que la vie pourrait évoluer dans des mers de méthane ou d'ammoniac sur d'autres corps célestes.
L'exemple clé ici est le Titan de la lune de Saturne, qui bénéficie d'un environnement riche en conditions prébiotiques et en chimie organique - qui, selon certains scientifiques, pourraient soutenir des formes de vie exotiques. En fin de compte, les scientifiques recherchent des biomarqueurs connus comme l'eau et le dioxyde de carbone, car ils sont associés à la vie sur Terre, le seul exemple connu d'une planète porteuse de vie.
Mais comme Ramirez l'a expliqué à Space Magazine par e-mail, cet état d'esprit (où les analogues de la Terre sont considérés comme adaptés à la vie) est toujours semé d'embûches:
«La définition classique d'une zone habitable est erronée car sa construction est principalement basée sur des arguments climatologiques centrés sur la Terre qui peuvent ou non s'appliquer à d'autres planètes potentiellement habitables. Par exemple, il suppose que les atmosphères de CO2 multi-barres peuvent être supportées sur des planètes potentiellement habitables près du bord extérieur de la zone habitable. Cependant, ces niveaux élevés de CO2 sont toxiques pour les plantes et les animaux de la Terre, et donc sans une meilleure compréhension des limites de la vie, nous ne savons pas combien cette hypothèse est raisonnable.
«Le HZ classique suppose également que le CO2 et le H2O sont les principaux gaz à effet de serre qui soutiennent les planètes potentiellement habitables, mais plusieurs études au cours des dernières années ont développé des définitions HZ alternatives utilisant différentes combinaisons de gaz à effet de serre, y compris celles qui, bien que relativement mineures sur Terre, pourraient être important pour d'autres planètes potentiellement habitables. "
Dans une étude précédente, par le Dr Ramirez a montré comment la présence de méthane et d'hydrogène gazeux pouvait également causer
Heureusement, ces définitions auront l'occasion d'être testées, grâce au déploiement de télescopes de nouvelle génération. Non seulement les scientifiques seront en mesure de tester certaines des hypothèses de longue date sur lesquelles les ZH sont basées,
«Les télescopes de la prochaine génération pourraient tester la zone habitable en recherchant une augmentation prévue de la pression atmosphérique de CO2 à une distance plus éloignée des planètes potentiellement habitables de leurs étoiles. Cela permettrait également de vérifier si le cycle carbonate-silicate, qui est ce que beaucoup pensent avoir gardé notre planète habitable pendant une grande partie de son histoire, est un processus universel ou non. »
Dans ce processus, les roches de silicate sont converties en roches de carbone par altération et érosion, tandis que les roches de carbone sont converties en roches de silicate par l'activité volcanique et géologique. Ce cycle assure la stabilité à long terme de l'atmosphère terrestre en maintenant des niveaux de CO2 constants dans le temps. Il illustre également comment l'eau et la tectonique des plaques sont essentielles à la vie telle que nous la connaissons.
Cependant, ce type de cycle ne peut exister que sur des planètes qui ont des terres, ce qui exclut effectivement les «mondes de l'eau». Ces exoplanètes - qui peuvent être courantes autour des étoiles de type M (naine rouge) - représenteraient jusqu'à 50% d'eau en masse. Avec cette quantité d'eau à leur surface, les «mondes aquatiques» sont susceptibles d'avoir des couches de glace denses à leur frontière cœur-manteau, empêchant ainsi l'activité hydrothermale.
Mais comme déjà indiqué, certaines recherches indiquent que ces planètes pourraient encore être habitables. Alors que l'abondance d'eau empêcherait l'absorption du dioxyde de carbone par les roches et supprimerait l'activité volcanique, des simulations ont montré que ces planètes pouvaient encore faire circuler le carbone entre l'atmosphère et l'océan, maintenant ainsi le climat stable.
Si ces types de mondes océaniques existent, explique le Dr Ramirez, les scientifiques pourraient les détecter à travers leur densité planétaire plus faible et leur atmosphère à haute pression. Et puis il y a la question des différents gaz à effet de serre, qui ne sont pas toujours une indication des atmosphères planétaires plus chaudes, selon le type d'étoile.
"Bien que le méthane réchauffe notre planète, nous avons constaté que le méthane refroidit en fait les surfaces des planètes de zones habitables en orbite autour des étoiles naines rouges!" il a dit. «Si tel est le cas, des quantités élevées de méthane atmosphérique sur de telles planètes pourraient signifier des conditions gelées qui ne sont peut-être pas adaptées pour accueillir la vie. Nous pourrons l'observer dans les spectres planétaires. »
En parlant de naines rouges, le débat fait rage sur la question de savoir si les planètes en orbite autour de ces étoiles seraient capables de maintenir une atmosphère. Au cours des dernières années, de nombreuses découvertes ont été faites qui suggèrent que des planètes rocheuses verrouillées par les marées sont communes autour des étoiles naines rouges et qu'elles orbitent dans les HZ respectifs de leurs étoiles.
Cependant, des recherches ultérieures ont renforcé la théorie selon laquelle l'instabilité des étoiles naines rouges entraînerait probablement des éruptions solaires qui dépouilleraient toutes les planètes en orbite autour de leur atmosphère. Enfin, Ramirez et ses collègues évoquent la possibilité de trouver des planètes habitables en orbite autour de ce qui a été (jusqu'à récemment) considéré comme un candidat peu probable.
Ce seraient des étoiles de type A de séquence principale - comme Sirius A, Altair et Vega - qui étaient considérées comme trop brillantes et chaudes pour être adaptées à l'habitabilité. Dit le Dr Ramirez de cette possibilité:
«Je suis également intéressé à savoir si la vie existe sur des planètes de zones habitables en orbite autour des étoiles A. Il n'y a pas eu beaucoup d'évaluations publiées de l'habitabilité planétaire des étoiles A, mais certaines architectures de nouvelle génération prévoient de les observer. Nous en apprendrons bientôt plus sur la pertinence des étoiles A pour la vie. »
En fin de compte, des études comme celle-ci, qui remettent en question la définition de «zone habitable», seront utiles lorsque les missions de prochaine génération commenceront des opérations scientifiques. Avec leurs instruments à plus haute résolution et plus sensibles, ils pourront tester et valider bon nombre des prédictions faites par les scientifiques.
Ces tests confirmeront également si la vie pourrait exister là-bas uniquement telle que nous la connaissons, ou aussi au-delà des paramètres que nous considérons comme «similaires à la Terre». Mais comme l'a ajouté Ramirez, l'étude que lui et ses collègues ont menée souligne également à quel point il est important que nous continuions à investir dans la technologie avancée des télescopes:
«Notre article souligne également l'importance d'un investissement continu dans la technologie avancée des télescopes. Nous devons être en mesure de trouver et de caractériser autant de planètes de zones habitables que possible si nous voulons maximiser nos chances de trouver la vie. Cependant, j'espère également que notre article incitera les gens à rêver au-delà des 10 prochaines années. Je crois vraiment qu'il y aura éventuellement des missions qui seront bien plus capables que tout ce que nous concevons actuellement. Nos efforts actuels ne sont que le début d'une entreprise beaucoup plus engagée pour notre espèce. »
La réunion 2020 Decadal Survey est organisée conjointement par le Board of Physics and Astronomy et le Space Studies Board de la National Academy of Sciences, et sera suivie d'un rapport qui sera publié dans environ deux ans.
