Vue d'artiste d'une exoplanète tellurique à proximité de son étoile. @ ESO, M. Kornmesser
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Exobiologie : la vie pourrait exister dans les atmosphères d'hydrogène

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Sommes-nous certains que la vie ne peut vraiment se développer que dans une atmosphère dominée par l'azote et l'oxygène comme c'est le cas sur la Terre ? Des expériences en laboratoire prouvent que, même sur des exoplanètes avec des atmosphères dominées par l'hydrogène moléculaire, des micro-organismes terrestres peuvent prospérer sans problème. Futura a demandé des précisions à ce sujet à l'astrophysicien Franck Selsis.

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[EN VIDÉO] Interview : les exoplanètes sont-elles habitées ?  Il pourrait y avoir au moins 100 milliards de planètes simplement dans notre galaxie. Difficile d’imaginer qu’aucune ne puisse abriter la vie. Le Cnes a interviewé Michel Viso, responsable des programmes d’exobiologie, afin qu’il nous parle des conditions d'apparition de la vie dans l'univers. 

On reproche parfois aux exobiologistes d'être dans la situation de l'homme qui, ayant perdu ses clés dans une soirée en ville, les cherche sous un réverbère au motif que c'est seulement sous sa lumière qu'il a une chance de les retrouver ! Transposée à la recherche de la vie ailleurs, cette idée pourrait nous aveugler et nous conduire à penser que seules des formes de vie ressemblant beaucoup à celles qui nous sont familières sur Terre, et dans des environnements très répandus, sont possibles.

Le risque est réel mais d'un certain côté, ce qui nous intéresse vraiment, c'est de savoir à quel point des formes de vie similaires à celles qui sont connues sont répandues dans le monde des exoplanètes ; d'un autre côté, on envisage tout de même des formes de vie extrêmophiles et on spécule même sur des formes jamais vues, par exemple, basées peut-être sur le concept d’azotosome. De même, cela n'a pas empêché des biochimistes, à l'instar d'Isaac Asimov -- qui n'était pas seulement qu'un des plus célèbres auteurs de science-fiction --, de spéculer sur des formes de vie qui ne seraient pas basées sur l'eau liquide, notamment comme dans l'essai qu'il a écrit en 1962, Not as We Know It .

Aujourd'hui, c'est l'astronome et planétologue canado-américaine, Sara Seager, bien connue pour ses travaux sur l'étude des exoplanètes et de leurs atmosphères, qui tente de repousser avec ses collègues dans un article publié dans Nature Astronomy, les frontières du paradigme des recherches d'une vie extraterrestre.

Sara Seager nous parle de ses recherches en exobiologie. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Earth, Atmospheric and Planetary Sciences, MIT

Des superterres avec une atmosphère d'hydrogène ?

L'atmosphère de la Terre est dominée depuis un peu plus de deux milliards d'années par l'azote et l'oxygène mais il y a plus de 4 milliards d'années, on trouvait plutôt un mélange de vapeur d'eau, de dioxyde de carbone et d'azote. Plus tôt au début de l'Hadéen, les choses sont moins claires mais si l'on pense aux atmosphères des géantes gazeuses formées directement à partir du gaz du disque protoplanétaire, on peut penser que d'importantes quantités d'hydrogène et d'hélium étaient présentes avant de rapidement quitter notre Planète, son champ de gravité étant trop faible pour garder ces gaz légers.

Toutefois, il existe des superterres avec donc des champs de gravitation plus intenses et on connait aussi plusieurs scénarios astrochimiques qui pourraient conduire à l'existence d'atmosphère contenant d'importantes quantités d'hydrogène moléculaire H2, comme l'expliquent Sara Seager et ses collègues dans l'introduction de leur article dans Nature Astronomy.

Ainsi, beaucoup de dihydrogène pourrait avoir été produit par des réactions entre de l'eau et d'importantes quantités de fer apportées par un bombardement météoritique de matériaux primitifs riches en fer (par exemple, comme les météorites chondritiques EH). Enfin, on sait que le rayonnement ultraviolet des étoiles peut photo-dissocier des molécules d'eau en donnant des molécules H2 et O2. Si le champ de gravité d'une superterre est suffisamment important et si elle possède un bouclier magnétique capable de la protéger, dans une certaine mesure de l'érosion de son atmosphère par l'activité de son étoile hôte, alors il est possible d'avoir là aussi une atmosphère contenant beaucoup d'hydrogène.

De même, des calculs laissent penser qu'une exoplanète de quelques masses terrestres situées au-delà d'environ 2 UA de son soleil et de son rayonnement destructeur X et ultraviolet peut maintenir une atmosphère H2-He primordiale héritée de son disque protoplanétaire et sous une pression de 1 à 100 bars, à condition que la planète ait un champ magnétique protecteur.

Sara Seager et ses collègues ont donc voulu savoir si des formes de vie pouvaient prospérer dans des atmosphères riches en dihydrogène et pour cela, ils ont tout simplement fait des expériences avec des micro-organismes bien connus sur Terre, la fameuse bactérie Escherichia coli, un simple procaryote, et la levure, un eucaryote plus complexe, qui n'avaient pas été étudiées dans des environnements dominés par l'hydrogène.

Ces organismes unicellulaires ont donc été placés dans un bouillon nutritif surmonté dans des bouteilles par des équivalents de différentes atmosphères d'exoplanètes avec, respectivement, de l'hydrogène pur, de l'hélium pur, un mélange de 80 % d'azote et 20 % de dioxyde de carbone, et un dernier jeu de bouteilles avec l'air de la Terre. Régulièrement, les chercheurs ont retiré des échantillons de certains de ces organismes avec une aiguille hypodermique pour compter combien étaient vivants. Ils ont constaté que tous se sont répliqués dans toutes les atmosphères testées.

Bien sûr, c'est exactement ce à quoi les biologistes pouvaient s'attendre car il est bien connu que E.coli et les levures peuvent se développer sur Terre en l'absence d'oxygène mais, en l'occurrence, les expériences montraient de façon claire, et donc plus susceptible d'aider à changer un paradigme, que l'on pouvait ne pas se limiter à chercher des formes de vie dans des atmosphères similaires à celle de la Terre actuelle.

C'est d'autant plus vrai que des atmosphères dominées par de l'hydrogène peuvent s'étendre beaucoup plus loin au-dessus de la surface d'une exoplanète, ce qui rend sa détection et son analyse bien plus faciles pour la prochaine génération d'instruments, en particulier le télescope spatial James Webb. Enfin, les chercheurs ont constaté qu'en se développant les Escherichia coli ont produit de l'ammoniac, du méthanethiol et de l'oxyde nitreux, ce qui est inspirant pour définir des biosignatures possibles de formes de vie.

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

La difficile question des biosignatures avec des exoplanètes

La question des biosignatures n'est pas triviale. Rappelons ce que l'astrophysicien Franck Selsis, qui étudie les atmosphères planétaires et l'exobiologie au Laboratoire d'astrophysique de Bordeaux, nous avait répondu et ce qu'il avait expliqué à Futura, dans un précédent article, dans lequel nous lui demandions s'il est possible de détecter la vie en étudiant la composition d'une atmosphère :

« Vaste question sur laquelle je suis extrêmement prudent. Comme Carl Sagan, je pense que, 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 ici la question d'une technosignature qui est une autre question. Avec le télescope James Webb, ou à plus long terme avec le futur télescope géant européen (l'E-ELT, European Extremely Large Telescope), nous pourrons peut-être détecter des constituants de l'atmosphère d'exoplanètes telluriques tempérées, dont certaines sont en lien avec le caractère habitable de la Terre ou avec l'activité biologique (eau, oxygène, ozone, méthane, dioxyde de carbone).

Mais, pourra-t-on affirmer pour autant la présence d'une forme de vie si, par exemple, la 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 transformée par la vie ».

Que pense aujourd'hui Franck Selsis de la publication de Sara Seager ? Nous lui avons demandé et voici ses commentaires.

L'astrophysicien Franck Selsis étudie les atmosphères planétaires et l'exobiologie. © Benjamin Pavone

Futura-sciences : Comment peut-on justifier le choix fait par Sara Seager de faire des expériences avec des atmosphères d'hydrogène ?

Franck Selsis : La première raison est que, dans ce type d'atmosphères, il y a des réactions chimiques conduisant à une chimie du carbone très riche et pouvant produire des molécules servant de briques au vivant. Outre les nombreuses observations astronomiques qui le démontrent, la fameuse expérience de Miller-Urey au début des années 50 a illustré ce phénomène en produisant des bases azotés et des acides aminés dans un mélange gazeux de méthane (CH4), ammoniac (NH3), hydrogène H2 et eau H2O, soumis à des décharges électriques. Urey et Miller postulaient alors que ce devait être la composition de l'atmosphère primitive terrestre. Si l'on a très peu de contraintes sur la composition primordiale de notre atmosphère, ce scénario ne semble plus pertinent bien que l'hydrogène a pu être un constituant, minoritaire mais important, de cette atmosphère.

La deuxième raison poussant à considérer des atmosphères dominées par H2 vient du fait qu'avec une molécule aussi légère, ces atmosphères sont épaisses et s'étendent loin de la surface des exoplanètes. Cela facilite grandement l'analyse de la composition de l'atmosphère d'exoplanètes lors de transits. Aujourd'hui, les seules atmosphères d'exoplanètes que nous pouvons analyser sont dominées par l'hydrogène moléculaire, surtout pour des planètes géantes et chaudes mais, avec le télescope James Webb, nous pourrons tenter l'analyse d'atmosphères de planètes plus terrestres, en particulier celles de l'étoile TRAPPIST-1.

Enfin, on sait aussi que des atmosphères d'hydrogène avec des pressions comprises entre 10 et 100 bars, soit entre 10 et 100 fois celles de l'atmosphère terrestre, permettent l'existence d'eau liquide sur une exoplanète pourvu que l'insolation de la planète soit très faible. L'hydrogène moléculaire étant un gaz à effet de serre très efficace à haute pression, il permet même de considérer le cas d'exoplanètes habitables loin de leurs étoiles hôtes.

Futura-sciences : Sommes-nous certains que la vie ne peut vraiment se développer que dans une atmosphère dominée par l'azote et l'oxygène comme c'est le cas sur la Terre ?

Franck Selsis : Nous sommes certains du contraire puisque la vie prédate l'accumulation d'oxygène dans l'atmosphère.

Futura-sciences :  On peut penser que d'importantes quantités d'hydrogène et d'hélium étaient présentes avant de rapidement quitter notre Planète, son champ de gravité étant trop faible pour garder ces gaz légers. 

Franck Selsis : La Terre s'est formée en environ 100 millions d'années. Le disque protoplanétaire ne persiste pas au-delà de 10 millions d'années. Donc, la Terre n'a pas pu accréter du gaz de la nébuleuse. Les planètes géantes, elles, se forment très vite, d'une façon encore mal comprise. Pour qu'une superterre possède une atmosphère épaisse d'hydrogène capturée à la nébuleuse, il faut qu'elle se forme également très vite. Ce qui est possible : elles pourraient se former comme une géante mais son grossissement est avorté pour une raison ou une autre : par exemple, la dissipation du disque.

Futura-sciences : Les travaux publiés dans Nature astronomy apportent-ils quelque chose de nouveau ?

Franck Selsis : Pas vraiment, cela fait longtemps que l'on a fait des expériences similaires avec des micro-organismes sous des atmosphères différentes. On a constaté d'ailleurs que ces micro-organismes pouvaient s'adapter en changeant de métabolisme à partir du moment où ils disposaient d'eau et de sources de nourriture. On ne sait pas vraiment s'il s'agit d'une mémoire de l'histoire primitive de l'apparition de la vie, une hypothèse tout de même peu probable car on ne voit pas bien, étant donné la façon dont fonctionne l'évolution, comment ces capacités auraient pu perdurer pendant des milliards d'années alors que les conditions d'apparitions de la vie sur la Terre primitive ont disparu. Cette capacité de changer de métabolisme pourrait donc être héritée des divers environnements possibles sur la Terre actuelle.

Dans les expériences qui ont été faites, les micro-organismes sont mis en culture donc avec de l'eau, ce qui veut dire qu'on ne doit pas en fait considérer des atmosphères purement d'hydrogène moléculaire. Il doit aussi y avoir de la vapeur d'eau.

Autre problème. Pour avoir une atmosphère d'hydrogène suffisamment épaisse pour que l'on puisse espérer l'analyser avec les instruments bientôt disponibles, il faut qu'elle soit suffisamment chaude, au point que de l'eau liquide ne puisse plus exister et donc la vie telle que nous la connaissons.

Enfin, que des micro-organismes sous une atmosphère d'hydrogène puissent produire des petites molécules organiques simples n'implique pas du tout que l'on puisse vraiment se servir de ces molécules comme des biosignatures fiables. Comme je l'avais expliqué dans l'interview précédente, de telles biosignatures n'ont rien d'évident. Mais, pour résumer, soit on détermine la composition d'une atmosphère en ses composants simples principaux et on démontre que cette composition n'est pas explicable par de seuls processus planétaires abiotiques (irradiation par les UV stellaires, dégazage volcanique), soit on détecte une biomolécule complexe, disons une molécule de chlorophylle, qui elle-même ne peut être le résultat que d'une synthèse biologique car on ne verrait vraiment pas comment elle pourrait avoir été synthétisée par des processus abiotiques -- ce n'est pas le cas du méthane par exemple.

Pour terminer, j'aimerai rappeler qu'on peut avoir de l'eau liquide sous une atmosphère d'hydrogène à haute pression pour une planète très peu irradiée, voire chauffée par en-dessous par son seul flux de chaleur interne. Et ça c'est un article de l'immense Dave Stevenson qui l'explique dès 1999 donc bien avant l'article de Sara Seager qui n'est donc pas la première à envisager que la vie pourrait exister sur une exoplanète avec une atmosphère d'hydrogène. Et il ne faut pas oublier non plus des centaines de biologistes pour ce qui est du recensement des métabolismes existant chez les bactéries et archées.

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