Une vue d’artiste de la surface de Trappist-1f, l’une des 7 exoplanètes en orbite autour de l'étoile Trappist-1, une naine rouge extrêmement froide située à seulement 40 années-lumière de la Terre. © Nasa, JPL-Caltech, T. Pyle (IPAC)

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Trappist-1 : comment y chercher la vie ? L'astrophysicien Franck Selsis nous l’explique

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Les exoplanètes découvertes autour de l'étoile Trappist-1 sont présentées comme les premières où pourront être repérées des biosignatures d'ici quelques décennies. Qu'en est-il réellement et sont-elles seulement habitables ? Réponses à ces questions avec une interview exclusive de l'astrophysicien et exobiologiste Franck Selsis, qui travaille sur Trappist-1.

Le système planétaire de Trappist-1, découvert en mai 2016 par une équipe internationale chapeautée par l'astronome belge Michaël Gillon (que l'on peut voir dans la vidéo ci-dessous), vient de gagner en célébrité. Tout avait commencé avec la mise en évidence de 3 exoplanètes autour de cette étoile grâce à l'instrument Trappist (TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope), un télescope de seulement 60 cm de diamètre à l'observatoire de La Silla (ESO), au Chili, géré par l'université de Liège.

Les astronomes belges ont poursuivi leurs travaux sur cette étoile avec une équipe internationale impliquant notamment des chercheurs du Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux, du Laboratoire de météorologie dynamique (CNRS/UPMC/École polytechnique/ENS), du laboratoire Astrophysique, instrumentation et modélisation (CNRS/CEA/Université Paris Diderot) mais aussi de la Nasa. En combinant des données obtenues à l'aide des instruments de Trappist mais aussi du télescope Spitzer, ces chercheurs ont ajouté quatre exoplanètes au tableau de chasse, comme ils l'ont expliqué dans un article de Nature.

Le 6 octobre 2016, le télescope Trappist Nord était inauguré à l'Observatoire de l'Oukaïmeden, au Maroc. Collaboration de chercheurs de l'université de Liège et de l'université Cadi Ayyad de Marrakech, ce télescope permettra d'observer durant plus de 250 nuits par an les exoplanètes et les comètes. © université de Liège

Trappist-1, une bonne cible pour étudier l'habitabilité

La découverte est d'importance pour trois raisons :

  • ces exoplanètes sont de tailles terrestres,
  • ce système se trouve à seulement 40 années-lumière environ,
  • ces exoplanètes apparaissent comme potentiellement habitables.

Mais à quel point et pourra-t-on un jour y découvrir de la vie ? Pour le savoir, Futura-Sciences s'est tourné vers un des membres de l'équipe qui étudie les exoplanètes autour de Trappist-1, l'astrophysicien Franck Selsis.

Spécialiste des atmosphères planétaires, ce chercheur a participé à la première détection d'eau dans l'atmosphère d'une exoplanète avec le télescope spatial Hubble. Il travaille également au sein du consortium qui a découvert Proxima b, une exoplanète potentiellement habitable autour de Proxima, l'étoile la plus proche du Soleil. Voici les réponses de Franck Selsis à nos questions :

L'astrophysicien Franck Selsis étudie les atmosphères planétaires et l'exobiologie. © University of Exeter

Comment a-t-on découvert quatre nouvelles exoplanètes autour de Trappist-1 ?

Franck Selsis : Comme avec les trois premières, en utilisant la méthode des transits planétaires. Les observations de l'étoile se sont poursuivies au sol, notamment avec les télescopes automatisés de Trappist Sud, au Chili, et de Trappist Nord, au Maroc. On a également fait appel à Spitzer, le célèbre télescope spatial de la Nasa qui observe dans l'infrarouge. Nous avons pu ainsi bénéficier de 20 jours d'observations presque continues avec cet instrument de la Nasa.

Pourquoi n'avez-vous pas utilisé la méthode des vitesses radiales pour estimer les masses de ces exoplanètes ?

Franck Selsis : Trappist-1 est suivie en vitesses radiales avec un spectrographe infrarouge appelé Carmenes, situé à Calar Alto en Espagne. L'infrarouge est approprié car Trappist-1 est une étoile de petite taille, et surtout beaucoup plus froide que le Soleil. Elle ne rayonne donc pas principalement dans le visible mais dans l'infrarouge. Ces observations sont cependant difficiles car l'étoile est peu lumineuse et le signal Doppler qu'il faut en extraire est très faible.

On peut tout de même espérer poser quelques contraintes, avec Carmenes mais aussi avec de futurs spectrographes qui devraient être opérationnels dans un avenir proche. Par exemple Spirou, qui équipera le télescope Canada-France-Hawaï, et le projet NIRPS (Near Infra Red Planet Searcher), mené conjointement avec l'université de Montréal et l'observatoire de Genève.

Quelques vues d’artiste de l’aspect supposé – océans d’eau liquide inclus – des sept planètes orbitant autour de Trappist-1, à comparer à des photographies des planètes rocheuses de notre Système Solaire. Des informations relatives à la taille et aux périodes orbitales de chaque planète sont également données, à titre comparatif. L’ensemble des planètes de Trappist-1 est de type exoterre. © Nasa, Eso

Alors comment avez-vous pu estimer ces masses ?

Franck Selsis : En utilisant la méthode des variations de temps de transit, ou TTV (Transit Timing Variations). Le principe en est simple à comprendre même s'il implique des techniques complexes de calcul en mécanique céleste.

S'il n'existait qu'une seule exoplanète autour d'une étoile, elle aurait une orbite régulière avec une période de transit constante. Mais si d'autres planètes sont suffisamment massives ou proches, leur attraction gravitationnelle peut ralentir ou accélérer son mouvement orbital. On observe alors des variations du temps de transit. Dans le cas de Trappist-1, ces variations sont importantes car six planètes au moins sont en résonance orbitale. C'est-à-dire que le rapport des périodes orbitales de deux planètes parmi ces six est un nombre rationnel (une fraction de deux entiers). Par exemple quand la planète dite « e » fait deux tours autour de son étoile, la d en fait trois. La mesure de ces variations permet de contraindre les masses et les excentricités des orbites de chacune des planètes, de la b à la g.

Ces estimations ne sont pas encore précises et il faut continuer à accumuler des observations et peut-être les compléter de mesures par la méthode des vitesses radiales. Aux barres d'erreurs près, et en combinant les mesures de masses à celles des rayons, on trouve que les six premières exoplanètes de Trappist-1 sont plutôt moins denses que la Terre, ce qui impliquerait une forte proportion de composés peu denses, dont le candidat le plus probable est l'eau.

Trappist-1f en particulier a une faible densité, similaire à celles des lunes glacées de Jupiter, Europe par exemple. De manière générale d'ailleurs, les propriétés du système Trappist-1 rappellent celles de Jupiter et ses satellites : sa compacité, les résonances orbitales, la similarité des tailles, les forces de marée, jusqu'à la taille de Trappist-1 qui est proche de celle de Jupiter.

Sur ce diagramme figurent, à titre comparatif, les tailles des planètes nouvellement découvertes autour de la naine rouge Trappist-1, ainsi que celles des satellites de Jupiter au sein de notre Système solaire. © Eso, O. Furtak

Ce n'est pas la première fois que l'on découvre un système planétaire avec un grand nombre d'exoplanètes. Alors, pourquoi cet engouement pour Trappist-1 ?

Franck Selsis : Il y a de multiples raisons. La première est qu'il est tout à la fois proche du Système solaire, autour d'une étoile de faible masse, donc très peu lumineuse, et avec des exoplanètes de tailles terrestres. On peut donc envisager d'analyser la composition de l'atmosphère de ces exoplanètes, si elles en possèdent, dans un avenir proche. Ce sera par exemple possible avec le télescope James Webb qui sera lancé en 2018.

Or, il ne suffit pas qu'une planète soit, ou ne soit pas, dans la zone d'habitabilité d'une étoile pour que de l'eau liquide puisse ou ne puisse pas y exister. La nature de l'atmosphère qu'elle peut posséder est un paramètre crucial dont dépend l'habitabilité réelle d'une exoplanète. Dans le Système solaire par exemple, Mars se situe dans cette fameuse zone habitable mais ne possède pas l'atmosphère épaisse qui lui permettrait d'avoir de l'eau liquide en surface.

Les exoplanètes de Trappist-1 sont potentiellement un excellent laboratoire pour tester nos idées sur l'habitabilité réelle des exoplanètes de tailles terrestres et en particulier quand elles sont autour des naines rouges.

Cette animation de la Nasa montre une interprétation de ce à quoi pourraient ressembler les sept planètes découvertes en février 2017 autour de l'étoile Trappist-1, une naine rouge située à 40 années-lumière de nous. Elles sont supposées rocheuses et trois pourraient être habitables. Les astronomes pourront en étudier les atmosphères, si elles existent. © Futura, Nasa

Justement, n'est-il pas problématique que Trappist-1 soit une naine rouge ? Ce genre d'étoile a une jeunesse agitée, avec des flots de rayons X, d'ultraviolets et de particules, capables d'éroder une atmosphère planétaire.

Franck Selsis : C'est bien ce que l'on voudrait savoir et le meilleur moyen d'en avoir le cœur net, c'est de faire des observations. Il est possible qu'en fonction des caractéristiques de l'atmosphère d'une planète, son épaisseur, son contenu en eau liquide et aussi en fonction des interactions entre la magnétosphère et l'ionosphère avec les vents stellaires, une exoplanète autour d'une naine rouge puisse rester habitable.

Personnellement, je me pose des questions car en appliquant à la jeune Terre plusieurs des arguments qui font douter de l'habitabilité des exoplanètes autour des naines rouges, on aboutit à la conclusion qu'elle ne devrait pas être habitable. Donc, soit les modèles théoriques surestiment beaucoup les pertes atmosphériques, soit les échanges entre le manteau et l'atmosphère sont à prendre en compte. L'eau et le gaz présents dans le manteau et libérés progressivement en surface pourraient être protégés de la phase de forte activité stellaire initiale.

Par ailleurs, pour des naines rouges de grandes tailles, la période juvénile d'activité est plus longue pour les faibles masses stellaires. Elle culmine pour des étoiles dont la masse vaut 15 à 20 % de la masse du Soleil mais elle diminue pour les étoiles encore plus petites. Les signes d'activité intense disparaissent pour les naines ultrafroides, c'est-à-dire à moins de 10 % de la masse solaire. Or, Trappist-1 est en dessous de cette limite.

Enfin, si l'on peut confirmer une faible densité impliquant une grande richesse en eau et en composés volatils pour certaines planètes de Trappist-1, la question sera d'une certaine façon réglée.

Une vue d'artiste de la surface d'une des exoplanètes de Trappist-1 qui pourrait posséder un océan. © Adrian Mann

Autour d'une naine rouge, la zone d'habitabilité est très proche de l'étoile et les forces de marée doivent imposer des rotations synchrones. Alors quid de l'habitabilité réelle ?

Franck Selsis : La synchronisation de la rotation (le fait que les planètes présentent toujours la même face à l'étoile, comme la Lune vis-à-vis de la Terre) semble difficile à éviter car les forces de marée produites par l'étoile sur des planètes si proches sont très fortes.

Mais nos simulations climatiques montrent que ce n'est pas un obstacle à la capacité de maintenir des océans de surface. Au contraire, dans certains cas, cette situation permet d'avoir de l'eau liquide à la surface de l'hémisphère éclairé en l'absence d'effet de serre de l'atmosphère.

Les planètes autour de Trappist-1 sont très proches les unes des autres. Cela a-t-il un impact sur l'habitabilité ?

Franck Selsis : En présence de forts effets de marée, une planète évolue normalement vers la synchronisation, une obliquité nulle et une orbite circulaire. Mais en présence d'autres planètes, les interactions gravitationnelles empêchent l'orbite d'être totalement circulaire, lui conférant une faible excentricité. En présence d'une excentricité, les forces de marées déforment et chauffent la planète.

En ce qui concerne l'habitabilité, ce phénomène pourrait avoir des effets négatifs ou positifs. Négatifs si ce chauffage interne est très intense ou s'ajoute à un ensoleillement fort, mais positifs si ce coup de pouce des marées vient renforcer un ensoleillement faible. Autour de Jupiter par exemple, les marées chauffent Io avec des conséquences dramatiques mais permettent à Europe d'abriter un océan interne.

Les explications plus détaillées de Franck Selsis sur les atmosphères des exoplanètes et la question de leur habitabilité. © École normale supérieure

Supposons malgré tout, disons sur Trappist-1f, qu'il existe une atmosphère et des conditions propices à l'apparition de la vie, pourrait-on la mettre en évidence ?

Franck Selsis : Vaste question sur laquelle je suis extrêmement prudent. Comme Carl Sagan, je pense qu'à une affirmation extraordinaire il faut une preuve extraordinaire. Pour vous répondre, il faudrait avoir une définition convaincante de ce que doit être une biosignature (j'écarte la question d'une technosignature). Avec le télescope James Webb, ou à plus long terme avec le futur télescope géant européen (l'E-ELTEuropean Extremely Large Telescope), on devrait être en mesure de détecter et de quantifier la présence de certaines molécules, l'oxygène et l'eau. Mais pourra-t-on affirmer pour autant la présence d'une forme de vie si, par exemple, le teneur en oxygène est similaire à celle de l'atmosphère de la Terre ? Peut-être, mais cela impliquerait de nombreuses observations complémentaires et beaucoup de temps.

Je me suis précisément posé la question de ce que devrait être une bonne biosignature dans mon travail de thèse. Prenons l'exemple d'une planète qui serait aussi massive que Vénus et initialement riche en eau. Le rayonnement de son étoile pourrait avoir dissocié les molécules d'H2O laissant partir dans l'espace les molécules de H2 mais retenant dans l'atmosphère les molécules d'O2, du fait de sa gravité. On aurait donc une atmosphère riche en oxygène et pour autant son origine ne serait pas biologique (incidemment, l'oxygène de Vénus semble, probablement, avoir migré dans son manteau).

Plus généralement, qu'est ce qui pourrait nous assurer que des molécules généralement associées à la vie n'ont pas été produites par des processus abiotiques (sans intervention du vivant) ? Pour tenter d'éviter ce problème j'ai proposé de chercher à détecter tout à la fois des molécules d'ozone, de gaz carbonique et d'eau. Mais, d'une part, c'est une signature terrestre très spécifique et le vivant pourrait générer d'autres compositions. Et, d'autre part, ce n'est pas parce que je ne suis pas parvenu à obtenir par simulation des atmosphères d'exoplanètes avec cette signature par des processus non biologiques que ce n'est pas possible. Rien ne dit que mon exploration des phénomènes possibles est exhaustive.

Je pense donc qu'il faudra attendre d'avoir analysé et bien compris les atmosphères d'un très grand nombre d'exoplanètes avant de pouvoir raisonnablement se dire capable de reconnaître de façon indiscutable une atmosphère transformé par la vie.

Il n'en reste pas moins que le système de Trappist-1 devrait être un excellent laboratoire à notre portée pour débuter ce travail de recherche d'une vie ailleurs que dans le Système solaire.

Les explications plus détaillées de Franck Selsis sur le problème de la détection et de l'interprétation des biosignatures. © Académie des sciences