Une vue d'artiste d'une exoterre. © NASA Ames, SETI Institute, JPL-Caltech

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Exoterres : une nouvelle méthode pour y détecter la vie ?

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Comment découvrir des traces de la Vie sur des exoplanètes ? En détectant des signatures chimiques particulières dans leurs atmosphères. Ou même leurs ionosphères comme le suggèrent des exobiologistes, qui prônent de rechercher des ions O+. Cette nouvelle méthode proposée peut cependant être questionnée, comme le pense Franck Selsis, planétologue spécialiste de cette question.

Interview : qu'est-ce qu'une exoplanète ?  La question des exoplanètes est très ancienne en astronomie. Leur existence est pour la première fois attestée de façon indirecte dans les années 1990. Futura-Sciences a rencontré Jean-Pierre Luminet, astrophysicien de renom, afin qu’il nous parle plus en détail de ce passionnant sujet. 

Le mois dernier, dans le très sérieux journal Nature Astronomy, trois chercheurs états-uniens proposaient d'utiliser une nouvelle biosignature pour partir à la recherche d'une forme de vie similaire à la nôtre quelque part sur une exoplanète de la Voie lactée. L'idée avancée est intéressante mais le moins que l'on puisse dire est qu'elle laisse perplexe. Il s'agirait de détecter avec les prochaines générations d'instruments des ions O+ dans l'ionosphère d'exoterres potentielles, c'est-à-dire de masses proches de celle de la Terre, possédant une atmosphère et situées dans la zone d'habitabilité. Rappelons au passage que la détermination précise de cette zone dépend de la composition de l'atmosphère du fait de l'effet de serre qu'elle peut ou pas engendrer.

Pourquoi chercher ces ions positifs de l'atome d'oxygène ? Pour les trois membres du département d'astronomie de l'université de Boston, cet ion serait en quantité notable dans la ionosphère terrestre parce qu'il existe une quantité également importante de dioxygène (O2) dans l'atmosphère. Des traces d'O2 existent dans l'atmosphère de Mars et de Vénus, provenant vraisemblablement de la photolyse de molécules d'eau ou de gaz carbonique, mais c'est une autre paire de manches que d'en trouver dans leurs ionosphères. Donc sans avoir à mesurer précisément la teneur de l'atmosphère en dioxygène, la détection d'ion O+ ionosphérique serait déjà une preuve de l'existence d'une grande quantité d'O2.

Cette image en fausses couleurs a été prise dans l'infrarouge par les astronautes d'Apollo 16 depuis la Lune. Le jaune vif indique l'émission diurne de l'oxygène atomique (O). Les émissions nocturnes des ions d'oxygène atomique (O+) dans l'ionosphère sont particulièrement visibles près de l'équateur. © Nasa

L'oxygène atmosphérique est-il un marqueur de la vie ?

Cet oxygène atomique ionisé semble donc être une biosignature convaincante puisque, sur Terre, la forte teneur atmosphérique en oxygène est due à la photosynthèse d'organismes vivants depuis environ 2,5 milliards d'années, au moment de la Grande Oxydation. De fait, dès 1930, l'astrophysicien britannique James Jeans avait proposé d'utiliser ce critère pour chercher de la vie ailleurs. La recherche d'ions O+ ne serait alors qu'un raffinement de cette ancienne idée.

Ce serait oublier que les astrochimistes et les exobiologistes questionnent l'utilisation de ce seul critère depuis quelque temps, même pour repérer une vie semblable à la nôtre. Le cas d'une vie très différente, qui n'utiliserait pas l'oxygène, ne concerne pas le sujet. Les exobiologistes n'excluent bien sûr pas cette possibilité mais il est déjà assez difficile de chercher une forme de vie similaire à celle que l'on connaît, et c'est un objectif trop ambitieux que de partir à la recherche de formes dont nous n'avons quasiment aucune idée. Ainsi, dès les années 1960, James Lovelock, engagé dans ce qui allait devenir le programme Viking de la Nasa, avait proposé d'utiliser des mesures conjointes, d'O2 mais aussi de méthane. Son raisonnement, repris plus tard pour proposer d'autres biosignatures avec plusieurs molécules, reposait sur l'existence d'un déséquilibre chimique entretenu par la vie. En effet, le méthane ne peut pas exister longtemps dans une atmosphère riche en oxygène... à moins qu'il ne soit continuellement produit et injecté en grandes quantités par des formes de vie, comme c'est le cas sur Terre.

En fait, les exobiologistes ont compris que des processus abiotiques pourraient aussi produire une atmosphère riche en oxygène. Certains considèrent cependant que ces processus ne sauraient être aussi efficaces que la vie, ce qui est observé dans l'atmosphère actuelle de la Terre. Mais le fait est qu'on doit très sérieusement prendre en compte la possibilité qu'une atmosphère riche en oxygène ne soit pas synonyme de l'existence d'une forme de vie, auquel cas trouver une signature forte de la présence d'O+ dans l'atmosphère d'une exoterre potentielle ne serait aucunement une preuve de l'existence de la vie.

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

Les problématiques biosignatures des exoplanètes

Interrogé par Futura sur l'intérêt de la nouvelle biosignature proposée, l'astrophysicien Franck Selsis, qui étudie les atmosphères planétaires et l'exobiologie au Laboratoire d'astrophysique de Bordeaux, estime qu'il faut rester circonspect. On peut comprendre pourquoi en rappelant les réponses qu'il nous avait déjà faites à l'occasion de la découverte des exoplanètes potentiellement habitables autour de Trappist-1. Nous lui avions demandé s'il est possible de détecter la vie en étudiant la composition d'une atmosphère et il nous avait répondu :

« 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-ELT, European 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 transformée par la vie ».

  • Quelles biosignatures chercher dans les atmosphères des exoplanètes ? Par exemple celle de l'eau et surtout de l'oxygène, en quantités suffisantes.
  • Un groupe de chercheurs pense que la détection d'ions O+ dans l'ionosphère impliquerait la présence de grandes quantités d'O2 car seule la vie pourrait les produire.
  • On peut en douter car il existe aussi des processus abiotiques capables de produire ces quantités, de sorte que plusieurs signatures seront nécessaires ainsi qu'une bonne compréhension des origines des atmosphères d'exoterres potentielles, ce qui pendra sans doute des décennies.
Pour en savoir plus

La détection de la vie sur des exoterres risque d'être difficile !

Article de Laurent Sacco publié le 26/03/2009

Pour savoir si la vie existe ailleurs dans la Galaxie, la détection d'exoterres n'est qu'un premier pas. Une fois ces petites planètes telluriques détectées, il faudra en effet trouver des biosignatures dans la composition chimique de leur atmosphère. Le James Webb Space Telescope pourrait théoriquement y parvenir avant la mission Darwin. Mais un groupe de bioastronomes vient de refroidir l'enthousiasme des exobiologistes.

Nous savons désormais que ni les molécules organiques ni les planètes ne sont rares dans la Galaxie et il devient sans cesse plus vraisemblable que l'apparition de la vie soit un phénomène universel très répandu dans le cosmos, ce qui ne vaut pas dire que celle de l'intelligence le soit à l'échelle des galaxies. Si l'on en croit le paradoxe de Fermi, nous pourrions fort bien être la seule et unique forme de vie intelligente dans la Voie lactée.

Il est très difficile répondre à cette question, même avec le programme Seti ou les tentatives de détection de sphères de Dyson. Toutefois, l'observation de la présence de formes de vie sur des exoterres proches de notre système solaire semble un objectif réalisable au cours de ce siècle. Devant les étonnantes réussites des astronomes, par exemple les images de Fomalhaut B, on a de bonnes raisons d'être optimiste.

Remarquablement, les télescopes Spitzer et Hubble nous ont déjà permis de réaliser des analyses partielles des atmosphères de certaines exoplanètes. Mais il s'agissait de « jupiters chauds », pas du tout des endroits adéquats pour la vie.

Malgré tout, la Nasa et l'Esa développent actuellement des projets qui, au cours des prochaines décennies, devraient permettre de détecter des molécules d'oxygène, d'ozone, de méthane, et peut-être même de la chlorophylle, à la surface des exoterres que les missions Corot et Kepler vont découvrir dans les cinq ans à venir.

Le projet Terrestrial Planet Finder de la Nasa est gelé pour une durée illimitée mais l'Esa continue à travailler sur le projet Darwin en collaboration avec des chercheurs américains. Si tout va bien, celui-ci devrait être lancé vers 2015-2020.

Certains se sont demandés si le James Webb Space Telescope (JWST), qui devrait être lancé en 2013, ne pourrait pas déjà nous permettre de trancher la question de l'apparition de la vie dans la Galaxie. Comme pour le cas de Spitzer et Hubble, ce serait à l'occasion d'un transit planétaire que l'on pourrait analyser la composition de l'atmosphère d'une exoterre. En soi ce n'est déjà pas facile car la luminosité d'une étoile dans le domaine visible est un milliard de fois supérieure à celle d'une exoterre dans sa zone habitable. Toutefois, en observant dans le domaine infrarouge on tombe à un million, ce qui est déjà mieux.

Un système planétaire où une exoterre tourne autour d'une naine rouge de type M comme Gliese 581. Cliquer sur l'image pour l'agrandir. © Eso

Le vrai problème est qu'un transit planétaire ne dure que quelques heures. Or, face à une exoterre située à une vingtaine d'années-lumière, il faudrait au JWST une centaine d'heures d'observations pour accumuler un nombre de photons suffisamment important pour obtenir un rapport signal/bruit élevé, à même de révéler une biosignature. C'est en effet la conclusion à laquelle sont arrivés Lisa Kaltenegger et Wesley Traub, qu'ils explicitent dans une publication récente.

Dans le cas d'une exoterre orbitant dans la zone d'habitabilité autour d'une étoile G de type solaire, la durée du transit serait d'environ 10 heures. Mais, comme celui-ci ne se répète que tous les ans en moyenne, on comprend immédiatement qu'au moins une décennie sont nécessaires avant de pouvoir affirmer que la vie existe sur ce type de planète !

On peut arriver à une conclusion légèrement plus optimiste avec les naines rouges qui, dans la Galaxie, sont plus fréquentes que les étoiles de type G. Dans le cas de tels systèmes planétaires, la durée du transit n'est que d'une heure mais celui-ci se répète tous les dix jours environ. Moins de trois ans seraient alors nécessaires pour détecter une activité biologique à l'aide du JWST dans la banlieue proche du système solaire. L'étoile Gliese 581 est précisément une naine rouge avec des exoplanète intéressantes. Alors avec un peu de chance...

Dans le cas le plus favorable, on peut s'intéresser à Alpha du Centaure autour de laquelle des exoterres se sont peut-être formées, si l'on en croit des simulations sur ordinateur. Cette étoile étant très proche (4,36 années-lumière), quelques heures de transits suffiraient.

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