Une vue d'artiste d'une exoplanète rocheuse désertique autour d'une naine rouge. © ESO M. Kornmesser

Sciences

Exobiologie : beaucoup d'exoplanètes rocheuses seraient pauvres en eau

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Les études concernant le disque de débris autour de la naine rouge, AU Microscopii, dans lequel des planètes sont certainement en cours de formation, sont de mauvaise augure pour l'exobiologie. Les corps riches en eau et en matière organique propices à la vie seraient souvent éjectés, loin des naines rouges, et laissant donc des exoplanètes rocheuses sèches et peu favorables à l'élaboration du vivant.

L'une des pièces maîtresses de la quête de l'Humanité pour connaître sa place et sa signification dans le Cosmos est bien évidement sa recherche d'une vie ailleurs, surtout si elle est technologiquement évoluée. Il s'agit de déterminer à quel point la vie apparait facilement, ou pas, dans l'Univers observable. L'Homme aimerait bien aussi savoir si sa propre civilisation, dite avancée, à des chances de survivre au XXIe siècle et découvrir que d'autres ont réussi à sortir de la phase, turbulente et suicidaire, de l'adolescence de ce type de civilisation, si l'on en croit ce qui se passe avec la nôtre...

Pour toutes ces raisons, préciser les valeurs des paramètres de la fameuse équation de Drake proposée dans le cadre du programme Seti peut être utile. Nous savons désormais que les exoplanètes sont omniprésentes dans la Voie lactée. Reste à déterminer dans un deuxième temps quelle fraction est habitable et, dans l'idéal, habitée en trouvant et détectant des biosignatures convaincantes, voire des technosignatures, comme celle des ceintures de Clarke.

La majorité des étoiles de la Voie lactée -- celles qui ont des durées de vie qui se comptent en milliards d'années, ce qui permet à la Vie d'évoluer -- sont des naines rouges. Cela pose immédiatement des questions car ces étoiles sont colériques au début de leur existence. Il n'est pas sûr que cela puisse autoriser l'existence plus ou moins pérenne d'atmosphères et surtout d'océans sur les exoplanètes rocheuses qui les entourent souvent, comme le montrent, par exemple, les découvertes concernant par exemple Trappist-1, Proxima Centauri ou l'étoile de Barnard.

Le disque d’AU Mic a la particularité d’être vu par la tranche et s’étend sur des distances supérieures à 200 unités astronomiques (1 u.a. = distance Terre-Soleil).Les premières observations de l’instrument Sphere, en 2014, ont révélé la présence de grandes structures de poussières présentant des formes d’ondulations, visibles « au-dessus » du plan médian du disque. La comparaison avec des données plus anciennes du télescope spatial Hubble ont montré que ces structures existaient déjà en 2010 et qu’elles s’étaient déplacées entre 2010 et 2014, avec, pour certaines, des vitesses très élevées (environ 10 km/s), ce qui correspond à une vitesse supérieure à la vitesse d’échappement. Ces quantités de poussières seraient donc éjectées du système et échapperaient à l’attraction de l’étoile. © L'Observatoire de Paris

En fait, les doutes au sujet de l'habitabilité des exoplanètes autour des naines rouges viennent peut-être de s'aggraver si l'on en croit un communiqué du Space Telescope Science Institute, une organisation fondée par la Nasa pour gérer et diriger la recherche faite avec le télescope spatial Hubble sur le campus Homewood de l'université Johns-Hopkins, aux États-Unis. Un groupe international de 14 astrophysiciens menés par John Wisniewski de l'University of Oklahoma devrait bientôt publier les résultats de travaux combinant des observations faites depuis plusieurs années en utilisant le télescope Hubble, bien sûr , mais aussi l'Instrument Sphere (recherche exoplanète à haut contraste spectro-polarimétrique) équipant le très grand télescope de l'Observatoire austral européen (VLT), au Chili. Ces observations concernent le disque de débris autour de l'étoile AU Microscopii (AU Mic), une jeune naine rouge que l'on peut observer sur Terre de l'hémisphère Sud, dans la constellation australe du Microscope.

Les exoterres, majoritairement des Arrakis ?

Le disque de débris autour de AU Microscopii est particulièrement intéressant parce qu'on peut l'observer par la tranche et que la naine rouge n'est qu'à 32 années-lumière du Soleil environ. La poussière observée est le résultat de violentes collisions entre des planétésimaux, entre eux ou avec des astéroïdes, et des comètes. Des exoplanètes devraient y être en cours de formation à partir d'embryons planétaires si l'on en croit les modèles cosmogoniques développés pour expliquer en particulier notre propre Système solaire.

Or, les observations faites concernant ce disque de débris depuis quelques années ne cessent de montrer de plus en plus clairement que des sortes de bulles de poussières de grandes tailles sont éjectées au loin de l'étoile centrale, parfois à des vitesses qui devraient les conduire à se perdre dans le milieu interstellaire.

Ce n'est pas une bonne nouvelle car cela laisse penser que les cousins des petits corps riches en eau du Système solaire sont, eux-aussi, propulsés à grandes distance, de sorte qu'en 1,5 millions d'années tout au plus, ils ne seront plus présents dans la région où se forment les planètes rocheuses et n'entreront plus en collision avec elles. Malheureusement, il y a des raisons de penser que c'est grâce à la présence de ces corps que la Terre a, non seulement, constitué l'essentiel de ses réserves en eau, mais aussi reçu les molécules prébiotiques permettant à la vie d'apparaître.

D'autres disques de débris semblent présenter des signes de processus similaires et la simple présence de ces phénomènes autour d'une naine rouge aussi proche du Soleil laisse supposer que ce que l'on observe est en fait la règle. Cela voudrait dire que la majorité des exoplanètes rocheuses qui pourraient se trouver dans la zone d'habitabilité autour des étoiles, dans la Voie lactée, seraient en fait pauvres en eau et en matériaux organiques, ces deux derniers étant précurseurs des cellules vivantes.

Peut-être, ne faut-il pas être pessimiste et retenir de ce travail qu'il signale simplement que les Arrakis de Dune sont légions dans la Galaxie...

MOJO: Modeling the Origin of JOvian planets (modélisation de l'origine des planètes joviennes, est un projet de recherche qui a donné lieu à une série de vidéos présentant la théorie de l'origine du Système solaire et, en particulier, des géantes gazeuses par deux spécialistes réputés, Alessandro Morbidelli et Sean Raymond. Traduction et sous-titrages en cliquant sur l'écrou à droite du rectangle. © Laurence Honnorat

  • Les modèles de la formation de la Terre laissent penser qu'elle ne doit ses océans qu'à un bombardement, ultérieur à sa formation, de petits corps célestes riches en eau, comme certains astéroïdes et bien sûr, les comètes.
  • Les naines rouges sont majoritaires dans la Voie lactée et les exoplanètes fréquentes autour de ces astres ; ce qui laisse penser que les exoterres potentiellement habitables naissent autour des naines rouges dans la Galaxie.
  • Mais l'étude d'un disque de débris proche, autour de la toute jeune étoile AU Microscopii,  laisse penser que les corps célestes, susceptibles d'apporter eau et matière organique pour faire démarrer la vie sur des exoterres potentielles, sont en fait éjecter au loin des naines rouges, lors de la formation planétaire.
  • L'apparition de la Vie pourrait donc être rare pour cette raison.
Pour en savoir plus

Les superterres pourraient être plus pauvres en eau que prévu

Article de Laurent Sacco publié le 27/07/2014

La Nasa vient de faire une annonce qui de prime abord sent le réchauffé. Ce n'est pas la première fois que Hubble détecte de l'eau dans l'atmosphère d'exoplanètes comme les géantes gazeuses Wasp 12b et HD 209458b. Mais les mesures sont devenues suffisamment précises pour entrer en conflit avec les modèles de formation et de migration des Jupiter chaudes. Elles sont plus pauvres en eau que prévu et cette conclusion pourrait s'étendre aux superterres.

Pour autant que nous le sachions, la vie a besoin d'eau pour apparaître et se développer. Les exobiologistes doivent donc se doter des moyens pour détecter la présence d'eau sur une exoplanète avant de chercher à y détecter des biosignatures, voire des technosignatures. Avec ce programme en tête, les astronomes ont bien sûr tenté d'analyser la composition chimique de l'atmosphère des exoplanètes. Mais pour chercher la trace des molécules d'eau dans le spectre d'une de ces atmosphères, il faut placer un télescope en dehors de la nôtre, sans quoi le signal produit par la vapeur d'eau sur Terre va noyer celui en provenance d'un autre monde.

Une vue d'artiste de HD 209458b, alias Osiris, l'exoplanète découverte par Alfred Vidal-Madjar et ses collègues. C'est une Jupiter chaude en train de s'évaporer. © Our Universe Visualized, YouTube

Des Jupiter chaudes sous l'œil de Hubble et Spitzer

HD 209458b est sans doute l'une des exoplanètes les plus connues et les plus étudiées. On la désigne aussi sous le nom d'Osiris. Deux fois moins massive que Jupiter, elle tourne à 6,7 millions de kilomètres autour de HD 209458, une étoile très semblable à notre Soleil à 150 années-lumière de la Terre, en seulement 3,5 jours. HD 209458b a été repérée par la méthode des vitesses radiales. Mais très vite, les astronomes se sont aperçus que son orbite l'amenait à traverser la ligne de visée qui nous joint à son étoile. Il y a déjà 7 ans, une équipe d'astronomes avait analysé avec Hubble la lumière traversant l'atmosphère de l'exoplanète HD 209458b à l'occasion d'un transit devant son étoile hôte. La présence de molécule d'eau avait alors été établie.

Wasp 12b orbite en seulement un jour ou presque autour de Wasp 12, une étoile de type solaire située à environ 870 années-lumière dans la constellation du Cocher. Découverte grâce à SuperWasp (acronyme de Super Wide Angle Search for Planets), cette géante gazeuse a une masse d'environ 1,4 fois celle de Jupiter. Elle est à l'agonie, tellement chaude qu'elle s'évapore. Les observations de Spitzer en infrarouge montraient déjà la présence d'un peu de vapeur d'eau, de grandes quantités de monoxyde de carbone (CO) et surtout de méthane (CH4). Hubble a confirmé la présence de l'eau en 2013.

Une vidéo exposant les principes de la détection de l'eau par Hubble dans l’atmosphère des exoplanètes. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En passant simplement la souris sur le rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « Français », puis cliquez sur « OK ». © NASA Goddard, YouTube

On n'est donc guère surpris de la publication sur arxiv d'un nouvel article portant sur la détection avec Hubble de molécules d'eau dans les atmosphères de HD 209458b, Wasp 12b et HD 189733b, une Jupiter chaude qui orbite en seulement 2,2 jours autour d'un soleil situé à 63 années-lumière de la Terre en direction de la constellation du Petit renard et où la présence d'eau avait déjà été établie en 2007 grâce aux observations de Spitzer.

Un précision record pour la mesure de l'abondance d'eau

La nouveauté est que la précision des mesures a augmenté à tel point que, dans le cas de HD 209458b, l'abondance en eau est mieux connue que celles de toutes les autres molécules détectées dans les atmosphères des autres exoplanètes. Cela a conduit les astrophysiciens à une conclusion déroutante pour les planétologues modélisant la formation des géantes gazeuses. Les trois Jupiter chaudes étudiées avec Hubble contiennent moins d'eau que prévu par les modèles d'accrétions. Ceux ordinairement étudiés font d'abord intervenir la formation d'un noyau rocheux dans un disque protoplanétaire à une bonne distance de l'étoile hôte, là où l'on trouve des poussières glacées, suivie d'une capture importante de gaz comme l'hydrogène et l'hélium. On devrait donc trouver des quantités non négligeables de molécules d'eau tout comme dans le cas des géantes du Système solaire.

Revoir la copie en ce qui concerne la formation des Jupiter chaudes pour expliquer ces observations pourrait avoir plusieurs conséquences. Selon l'un des auteurs de cette étude, l'astrophysicien Nikku Madhusudhan, bien connu pour ses travaux sur les exoplanètes carbonées« nous devrions nous préparer à l'idée que nous allons découvrir que les superterres contiennent moins d'eau que nous ne le pensions ».

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