Illustration d'une exoplanète habitable en orbite autour d'une étoile qui ressemble à une naine orange. © dottedyeti, Adobe Stock

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Faut-il rechercher la vie extraterrestre autour de ces étoiles ? Réponse de Franck Selsis

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L'astrophysicien Franck Selsis, membre du CNRS et du Laboratoire d'astrophysique de Bordeaux (LAB), partage son article qu'il a consacré à la question de savoir s'il fallait favoriser certains types d'étoiles dans la recherche de planètes potentiellement habitables.

Actuellement, en ce mois de février 2020, plus de 4.180 exoplanètes sont connues de l'humanité et comptabilisées par le célèbre site de l'Encyclopédie des planètes extrasolaires fondé en 1995 par l'astronome Jean Schneider de l'observatoire de Paris. Le prix Nobel de physique 2019 a même récompensé les pionniers de la découverte des exoplanètes autour des étoiles sur la séquence principale, les Suisses Michel Mayor et Didier Queloz.

La quête du Graal de l'exobiologie par la noosphère du géochimiste Vladimir Vernadsky et du géologue et paléontologue Pierre Teilhard de Chardin, l'esprit collectif en quelque sorte de l'Humanité, se poursuit toujours : une exoplanète de type terrestre avec, non seulement de l'eau liquide à sa surface, mais aussi des biosignatures crédibles dans son atmosphère.

Nous avons déjà commencé à analyser la composition des atmosphères de certaines exoplanètes mais nous n'en sommes encore qu'aux balbutiements dans ce domaine et cela ne concerne pour le moment que des astres qui ne sont pas des exoterres potentielles. Il nous faut de nouveaux outils pour aller plus loin et ils sont en cours de développement. Les cibles de ces nouveaux outils ne pourront être que des systèmes planétaires proches du Système solaire comme ceux observés avec le successeur du satellite Kepler : Tess.

À l'occasion de la découverte des mondes de Trappist 1, à seulement 40 années-lumière du Soleil environ, l’astrophysicien Franck Selsis nous avait expliqué que la détermination de biosignatures crédibles n'était pas vraiment évidente et que, dans le meilleur des cas, beaucoup de travail et de recul critique seraient nécessaires. Il a écrit un nouvel article concernant le débat dans la communauté scientifique entre ceux qui pensent que l'on doit d'abord chercher des biosignatures avec des exoplanètes en orbite autour d'étoiles de type solaire, les naines jaunes de type G, voire des étoiles un peu moins lumineuses, les naines orange de type K et de l'autre, ceux qui pensent que l'on doit d'abord se concentrer sur le cas des naines rouges de type M. 

Franck Selsis a permis à Futura de reprendre ici son article. Le voici.

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

Franck Selsis : Une étude - qui, précisons-le d'entrée, ne présente aucun résultat nouveau - a récemment trouvé beaucoup d'échos dans les médias car elle suggère qu'un certain type d'étoiles - les naines K - représenterait les hôtes les plus favorables pour la recherche de planètes pouvant abriter la vie.

Revenons donc sur le lien entre l'étoile hôte et l'« habitabilité » d'une planète. Mais évacuons d'entrée ces termes un peu lourds à porter d'habitabilité et de zones habitables. Nous nous intéressons ici à ce que nous appellerons des planètes « sexy », c'est-à-dire des planètes de taille/masse et d'instellation (équivalent de l'insolation mais pour une étoile quelconque) terrestres, et nous serons assez généreux dans cette définition. Nous ne ferons pas les difficiles. Nous pourrons être plus regardants dans le futur quand des télescopes nous donneront la possibilité d'étudier de plus près la composition de ces planètes et de leur atmosphère.

L'étoile hôte influence de façon critique à la fois l'évolution de ses planètes et l'efficacité de nos méthodes d'observations. Par exemple, les étoiles plus massives que 2,5 fois la masse du Soleil (Msol) vivent moins de 1 milliard d'années et comme leur luminosité augmente fortement durant cette période, leurs éventuelles planètes tempérées ne le restent qu'une durée bien plus faible encore. Et ces grosses étoiles très lumineuses nous rendent par ailleurs la détection de planètes, même géantes, fort difficile. Mais les étoiles plus massives que 2,5 MSol ne représentent que 1 % des étoiles de la Galaxie.

Des naines rouges, orange et jaunes

On répartit les étoiles de masse inférieure ou égale à celle du Soleil en trois catégories, les étoiles M (sol), K (0,5-0,8 Msol) et G (0,8-1,15 Msol, qui inclut donc le Soleil). Les étoiles M représentent environ 80 % des étoiles (environ 10 % pour les K et environ 7 % pour les G). Les étoiles M ou naines rouges dominent largement la population stellaire, vivent des dizaines à des centaines de milliards d'années, ont une très faible luminosité, une émission dominée par le rouge et l'infrarouge. C'est aussi autour des étoiles M que nos méthodes de détection des exoplanètes permettent de trouver le « plus facilement » nos fameuses planètes sexy.

Quasiment toutes les exoplanètes sexy que nous connaissons appartiennent ainsi à une étoile M. Nous ne pouvons pas encore observer l'atmosphère de ces mondes mais s'ils en possèdent une, nous pourrons tenter leur observation avec des télescopes à venir et en particulier le prochain télescope spatial James-Webb. Mais si, et seulement si ces planètes orbitent autour de naines rouges. Et encore, il nous faut pour cela de petites étoiles M (La catégorie des M couvrant en effet un vaste domaine de masses allant de 7 % à 50 % de la masse du Soleil), les plus proches possible du Soleil, et dont la planète ou les planètes visées ont la bonne idée de passer devant le disque de leur étoile vue depuis la Terre, c'est-à-dire qu'elles transitent. Bref, la très petite naine d'à côté qui vous fait des clins d'œil.

Il y en a ? Oui, il y en a, car ces naines rouges ont la bonne idée d'avoir presque toujours des planètes sexy !

Cette infographie compare les caractéristiques de trois classes d'étoiles dans notre Galaxie : les étoiles semblables au soleil sont classées comme étoiles G ou naines jaunes ; les étoiles moins massives et plus froides que notre Soleil sont des naines K ou naines orange ; et des étoiles plus faibles et plus froides sont les naines M rouges. Le graphique compare les étoiles en fonction de plusieurs variables importantes. La longévité des étoiles M naines rouges peut dépasser 100 milliards d'années. Celle des naines orange peut aller de 15 à 45 milliards d'années. Celle de notre Soleil est d’environ 10 milliards d'années. Le flux de rayonnement stellaire capable de chauffer et d'éroder la haute atmosphère peut être 80 à 500 fois plus intense dans la zone habitable des naines M que dans celle du Soleil. Mais seulement 5 à 25 fois plus intense dans celle des naines K. © Nasa, ESA and Z. Levy (STScI), Franck Selsis

La communauté scientifique est divisée en deux écoles. L'une, dont je fais partie, remercie la nature d'avoir mis des planètes sexy à portée de nos moyens observationnels encore balbutiants, et s'enthousiasme de la possibilité d'étudier ces mondes exotiques. Car oui, il faut le dire, les planètes sexy des naines rouges sont forcément différentes de la Terre par bien des aspects. Pour un amateur de science-fiction comme moi ça ne le rend que plus sexy mais une autre partie de la communauté ne les trouve pas du tout sexy, voire franchement moches, et voudrait pointer les télescopes vers des astres plus solaires. Mais pourquoi une telle discrimination ? Eh bien ! il y a plusieurs arguments.

Le premier pourrait s'énoncer ainsi « On sait que la vie existe sur UNE planète sexy, la nôtre, autour d'une étoile G, notre Soleil ; il faut donc concentrer nos recherches sur ces étoiles ». L'idée sous-jaçante est que si jamais les conditions pour l'émergence de la vie étaient très spécifiques et restrictives, elles n'auraient guère de chance d'être rencontrées autour d'étoiles très différentes de la nôtre. Cet argument se heurte toutefois à un problème de taille : la Terre doit ses caractéristiques a bien d'autres facteurs que le type de son étoile.

Si l'on cherche les spécificités du Système solaire qui ont forcément influencé la nature précise de notre Planète, il faut aussi ajouter notre bon gros Jupiter, et son orbite peu excentrique, qui nous place tout de suite dans une fraction beaucoup plus réduite des étoiles, environ une sur mille.

Chaque système planétaire a ses particularités, au sein d'une incroyable diversité. Si l'on commence à chercher des Terres avec une grosse Lune autour d'une étoile G2V, avec un couple Jupiter-Saturne, telle abondance initiale d'Aluminium 26 et de Fer 60 (qui ont joué un rôle dans le chauffage et donc la composition des premiers solides), et ainsi de suite, on part chercher l'aiguille dans une galaxie de foin.

Mais lesquelles de ces caractéristiques ont joué en faveur de l'émergence et du maintien de la vie et lesquelles nous ont rendu la vie plus difficile ?

Des exoplanètes habitables malgré la rotation synchrone

L'idée est de dire que nous sommes là pour en parler et que c'est donc, par définition, grâce aux spécificités de notre système. Une sorte de principe anthropique faible. Il me semble toutefois que ces spéculations héliogéocentriques devront de toute façon se confronter à des observations de planètes appartenant à des étoiles et des architectures de systèmes planétaires non solaires. Étant donné que les analogues au couple Soleil-Terre sont plus rares et plus durs à observer, pourquoi ne pas commencer par les cibles les plus accessibles ?

Vue d'artiste d'une planète froide et verrouillée en rotation synchrone autour de son étoile hôte. La glace recouvre une grande partie de la surface de la planète, mais le point directement face à l'étoile hôte de la planète reste libre de glace. © Nasa JPL-Caltech

Un autre argument a longtemps prévalu : pour être de température terrestre, les planètes doivent être très proches de leur naine rouge car sa luminosité est faible. Cette proximité fait que ces planètes sont déformées par les interactions de marée. Cette déformation n'est pas un problème en soi mais elle résulte en une synchronisation rapide de la période rotation avec période de révolution. Les planètes sexy présentent donc toujours la même face à leur naine rouge. Le risque encouru est que l'eau (si eau il y a) soit piégée de façon irréversible sous forme de glace dans l'hémisphère de nuit permanente et aux pôles. Toutefois, les modèles climatiques ont montré que ce scénario est évité pour les atmosphères suffisamment denses et/ou pour des quantités d'eau suffisantes. Cette configuration présente même des particularités propices à maintenir de l'eau liquide et que l'on ne retrouve pas dans autour d'étoiles de type solaire. Cet argument a ainsi perdu beaucoup de vigueur.

Des exoplanètes habitables malgré les colères magnétiques ?

La grande menace que font peser les étoiles de faible masse sur leurs planètes sexy vient de leur « activité magnétique ». La rotation des étoiles, couplée à leur champ magnétique, génère une activité qui se manifeste par une émission de rayonnement énergétique (X, extrême UV) ainsi que d'un plasma (ions et électrons) que l'on appelle vent stellaire. Plus les étoiles tournent vite, plus elles sont actives. Au début de leur vie, toutes les étoiles tournent vite et sont très actives. Elles émettent alors un millième de leur luminosité sous forme de rayonnement X, qui est notre principal indicateur de l'activité. Cette importante émission X s'accompagne d'un vent stellaire intense, de sursauts de luminosité (flares, en anglais) et d'éjections coronales. Les étoiles finissent par ralentir car leur vent stellaire emporte du moment cinétique, et leur activité décroît avec ce ralentissement. Mais les étoiles de type solaire ralentissent beaucoup plus rapidement que les naines rouges. Le Soleil émet aujourd'hui un millionième de sa luminosité sous forme de rayons X.

Les violentes explosions de plasma bouillonnant de jeunes étoiles naines rouges peuvent rendre les conditions inhabitables sur les planètes naissantes. Dans le rendu de cet artiste, une jeune naine rouge active (à droite) dépouille l'atmosphère d'une planète en orbite (à gauche). Les scientifiques ont découvert que les éruptions des plus jeunes naines rouges qu'ils ont étudiées – âgées d'environ 40 millions d'années – sont 100 à 1.000 fois plus énergétiques que lorsque les étoiles sont plus âgées. Ils ont également détecté l'une des éruptions stellaires les plus intenses jamais observées dans la lumière ultraviolette – plus énergique que l'éruption la plus puissante jamais enregistrée pour notre Soleil. © Nasa, ESA and D. Player (STScI)

Notre voisine, la naine rouge Proxima qui a à peu près le même âge que le Soleil, émet moins de rayonnement X que le Soleil car c'est une petite étoile mais cela représente une plus grande fraction de sa luminosité totale (plus de un dix-millième). La planète sexy Proxima b en orbite autour de cette étoile ne reçoit que 60 % du flux lumineux que reçoit la Terre du Soleil, mais elle reçoit 100 fois plus de rayonnement X que la Terre et est soumise à un vent stellaire beaucoup plus fort.

C'était également le cas de la Terre dans sa jeunesse mais pendant quelques centaines de millions d'années seulement, c'est en tout cas ce que l'on déduit de l'observation d'étoiles jeunes analogues au Soleil. Cette irradiation liée à l'activité ne représente qu'une faible part de l'énergie que dépose l'étoile sur la planète mais elle est absorbée dans la haute atmosphère. Le point positif est que la surface est protégée de ce rayonnement nocif pour les molécules organiques, mais la conséquence est que la haute atmosphère encaisse un apport énergétique très important par rapport à sa faible densité, ce qui peut potentiellement résulter en une érosion de l'atmosphère qui s'échappe vers l'espace.

L’étude des exoplanètes a révélé une incroyable diversité des architectures de systèmes planétaires, mais aussi des types de planètes, en ce qui concerne les masse, rayon, température et composition. Les méthodes d’observation permettent désormais de sonder la structure et la composition de leur atmosphère, ouvrant ainsi un champ de recherche considérable à la planétologie comparée. Voici, en 2016, une conférence de Franck Selsis organisée par le Bureau des longitudes (Académie des Sciences) et le département de géosciences de l'ENS. © École normale supérieure - PSL

Une étoile active peut-elle déshabiller ses planètes de leur atmosphère ?

C'est une question ouverte. Les modèles actuels ne peuvent pas décrire la physique très complexe d'une haute atmosphère soumise à ces conditions et nous ne pouvons que donner des limites supérieures du taux de perte atmosphérique. Ces limites supérieures montrent que la menace est sérieuse et qu'il nous faut désormais développer des modèles robustes pour la quantifier.

Ce problème est aggravé par l'évolution précoce des naines rouges. Si la luminosité d'une naine rouge est incroyablement stable pendant l'essentiel de sa très longue vie, elle passe par une longue naissance, la phase « pré-séquence principale », durant laquelle sa luminosité décroît vers sa valeur stable. Pour une étoile comme le Soleil, cette phase est très courte et s'achève au début de la formation planétaire quand les protoplanètes sont bien au frais, enfouies dans un disque de gaz et de poussière. Pour les naines rouges cette phase se prolonge au-delà de la phase de formation. Quelques dizaines de millions d'années pour les naines rouges les plus massives, jusqu'à 1 milliard d'années pour les plus petites.

Cela signifie que les planètes que nous trouvons aujourd'hui sexy étaient en fait beaucoup plus chaudes dans leur jeunesse. Au-dessus d'une certaine insolation (ou instellation), l'eau ne peut plus exister à l'état liquide à la surface d'une planète. La haute atmosphère est alors riche en vapeur d'eau, qui est dissociée en hydrogène et oxygène par le rayonnement UV, et l'hydrogène, très léger, s'échappe dans l'espace.

On estime que c'est le sort qu'a subi Vénus. Le peu d'eau qui subsiste dans l'atmosphère de Vénus est très riche en deutérium (plus lourd que l'hydrogène), ce qui est interprété comme le résultat de cette perte d'hydrogène. L'oxygène résiduel aurait réagi avec la croûte. Si aujourd'hui on baissait la luminosité du Soleil de façon à diminuer l'insolation de Vénus et en faire une planète sexy, elle serait certainement très différente de la Terre, très pauvre en eau (à moins que son manteau n'en ait conservé beaucoup). Les planètes sexy des étoiles de très faible masse vivent un scénario similaire. Si elles passent beaucoup moins que 4,5 milliards d'années dans ce régime climatique « vénusien » extrême, nul ne sait vraiment si leur potentiel à abriter de l'eau et la vie n'y a pas laissé des plumes...

Une vue d'artiste de Vénus il y a quelques milliards d'années dans le cadre des modèles climatiques étudiés par des chercheurs du GISS (Goddard Institute for Space Studies). © Nasa

Toutefois, nous ignorons un paramètre clé : le contenu en gaz « typique » des planètes. La Terre est-elle une planète sexy riche ou pauvre en eau, en azote, en carbone ? C'est actuellement une des grandes questions de la planétologie. Les océans terrestres représentent 0,06 % de la masse de la Terre. On pourrait en théorie former des planètes en contenant beaucoup plus : 1 %, 10 %, 50 %. Bref, certaines planètes peuvent sans doute se permettre de perdre une grande quantité d'eau. Mais cette érosion du réservoir d'eau pose d'autres questions, l'accumulation d'oxygène liée à la perte de l'hydrogène de l'eau ne serait-elle pas nocive à une chimie prébiotique pouvant mener au vivant ?

Bref, les naines rouges peuvent paraître bien inhospitalières à nous autres, enfants d'un Soleil jaune. Ce qui pousse certains astrophysiciens à proposer les étoiles K comme cibles privilégiées pour la recherche et l'étude de planètes sexy et de leur atmosphère et pourquoi pas dans quelques décennies, de signes de vie. Ces naines orange seraient selon eux le compromis idéal : cibles moins difficiles que notre étalon solaire et moins exotiques et actives que les naines rouges qui les effraient tant.

Mon point de vue est que nous sommes dans une phase très primordiale d'exploration. Nous basons toute notre connaissance des planètes telluriques et de leur atmosphère sur l'étude de Vénus, la Terre et Mars (allez, je vous y ajoute Titan). Un maigre échantillon né d'une même étoile et qui ne nous présente qu'un visage de 4,5 milliards d'années. Il y a tant à apprendre de l'étude des planètes autour de TOUS les types d'étoiles. Commençons par les plus accessibles, les planètes autour d'étoiles M, tout en développant les instruments pour aller vers les étoiles K puis G. Si jamais les planètes autour de naines rouges s'avèrent ne pas être sexy du tout, il nous faut le savoir car elles sont de loin les plus nombreuses et elles forment en veux-tu en voilà des planètes telluriques.

L'une d'elles, quasiment ce qui se fait de plus petit et de plus rouge comme étoile, nous présente un cortège de sept planètes telluriques. Trappist 1 et ses sept mondes seront des cibles sans équivalent pour le futur télescope spatial James-Webb. Ne nous en détournons pas parce qu'elles n'ont pas l'éclat et le calme de notre étoile mère.

Une vue d'artiste de la surface possible de Trappist 1f. © Nasa JPL-Caltech T. Pyle IPAC
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