Sur cette image composite, Jupiter est observée dans l'infrarouge par les instruments de la sonde New Horizons lors de son voyage en direction de Pluton. Io est en revanche observée en lumière presque visible. Notez l'éruption au pôle nord de Io, avec son panache bleuté. Il semble malheureusement que pour être habitables en théorie, beaucoup d'exolunes seraient si proches d'une planète géante qu'elles seraient le théâtre d’un volcanisme infernal, comme Io. © Nasa

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Exolunes : des Pandoras habitables peuvent-elles exister ?

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Le film Avatar nous encourage à rêver, et la découverte de presque un millier d'exoplanètes dans la Voie lactée laisse penser qu'il devrait exister des exolunes comme Pandora, en orbite autour d'une géante gazeuse. Des chercheurs canadiens et colombiens explorent depuis quelque temps l'habitabilité de ces exolunes. Pour le moment, leurs conclusions sont plutôt pessimistes mais l'exobiologie n'en est encore qu'à ses prémices.

On sait que les superterres existent par milliards dans la Voie lactée, et l'on a des raisons de penser que l'exoplanète habitable la plus proche n'est peut-être qu'à quelques dizaines d'années-lumière du Système solaire. On sait aussi qu'il existe une planète autour d'Alpha du Centaure. Il pourrait donc bien y avoir aussi des exolunes en orbite autour de géantes gazeuses, qui seraient habitables comme dans le film Avatar de James Cameron.

René Heller de l'université McMaster (Canada) et Jorge I. Zuluaga de l'université d'Antioquia (Colombie) ont cherché à déterminer, avec leurs collègues, quelles étaient les contraintes de la physique et de l'astronomie qui pouvaient autoriser, ou interdire, l'existence d'une Pandora. Leurs travaux ont été publiés sous forme de deux articles sur arxiv.

Si l'on ne considère pas les potentielles exolunes qui pourraient abriter des formes de vie dans des océans et seraient chauffées par les forces de marée d'une planète géante (comme c'est peut-être le cas avec Europe autour de Jupiter), il faut d'abord se tourner vers des géantes gazeuses dans la zone d'habitabilité. Le projet Planet Hunters a prouvé qu'il en existait une, et on l'a nommée temporairement PH 2p.

Entre le Charybde de l'effet de serre et le Scylla du volcanisme

On peut assez rapidement trouver deux contraintes pour l'existence d'une vie un minimum développée. En effet, si l'exolune est trop proche de la géante gazeuse, le rayonnement réfléchi par la planète peut provoquer un effet de serre susceptible de se renforcer et de conduire à une exolune aussi infernale que Vénus. La deuxième contrainte provient de l'existence des forces de marée. Là encore, si l'exolune est trop près de la planète, elle sera tellement chauffée par ces forces de marée que l'on sera en présence d'un équivalent de Io, la lune volcanique de Jupiter.

Plus subtiles à évaluer sont les contraintes issues des rayons cosmiques, qu'ils soient d'origine interstellaire ou en provenance de l'étoile hôte de l'exoplanète autour de laquelle orbite l'exolune. Sachant que Jupiter et Saturne ont de grandes magnétosphères, il devrait en être de même pour l'exoplanète gazeuse. Une telle magnétosphère pourrait fournir une protection efficace contre les rayons cosmiques si jamais l'exolune ne possède pas elle-même un tel bouclier (comme dans le cas de la Terre) suffisamment fort.

Heller et Zuluaga ont étudié le cas de lunes de masse et de taille similaires à celles de Mars, en orbite autour de planètes aux masses et compositions allant de celle de Neptune à celle du Jupiter. Selon les chercheurs, des exolunes ayant des masses comparables à la Terre se forment difficilement autour de géantes gazeuses de ce type. Ils ont aussi considéré plus précisément le cas d'un système planétaire avec une étoile de 0,7 fois la masse du Soleil. Il ne s'agit donc pas de naines rouges, lesquelles sont bien plus abondantes que les étoiles de type solaire dans la Voie lactée.

De bas en haut, Io, Europe, Ganymède et Callisto, les lunes de Jupiter. Des cousines doivent exister dans d'autres systèmes planétaires mais elles ne semblent guère plus propices à la vie qu'Europe (dans le meilleur des cas). © Nasa

Une fois les calculs faits pour ces exolunes similaires à Mars, plus petites et moins massives que la Terre, les chercheurs ont déterminé deux rayons limites. Le premier est celui de l'emballement de l'effet de serre et il définit ce qu'ils appellent « la distance de sécurité ». Le second rayon est celui qui détermine ce que les astrophysiciens ont appelé le « bord d'habitabilité » : il est lié à un volcanisme trop important pour que la vie puisse vraiment se développer. Le premier rayon est inférieur au second.

Un bouclier magnétique problématique pour les exolunes

Restait la question de l'importance de la magnétosphère de la géante et de son rôle protecteur contre les rayons cosmiques. Zuluaga et ses collègues colombiens se sont spécialisés depuis quelques années dans la modélisation des magnétosphères des corps planétaires. Ils ont construit des modèles de planètes de la taille de Ganymède à Jupiter. Ils ont pu tester ces modélisations dans le Système solaire et constater qu'elles donnaient bien le bon ordre de grandeur de la taille et de l'intensité des magnétosphères.

Ils ont appliqué leurs théories au cas des exolunes précédemment considérées : c'est-à-dire des planètes de taille et masse similaires à Mars, en orbite autour d'une géante comparable à celles du Système solaire, elle-même tournant autour d'une étoile contenant 0,7 fois la masse du Soleil. Et les chercheurs ont eu une désagréable surprise. Pour que l'exolune soit protégée des rayons cosmiques par la magnétosphère de la géante, elle doit se trouver à une distance inférieure à la limite minimale pour ne pas générer un emballement de l'effet de serre. Elle serait donc probablement une Vénus, et sans l'ombre d'un doute au moins aussi volcanique que Io.

Il y a bien sûr quelques hypothèses restrictives sur lesquelles se basent ces considérations. On peut arguer aussi que l'on est encore aux balbutiements des techniques de modélisation d'exoplanètes habitables, et plus encore lorsqu'il s'agit d'exolunes. Mais pour le moment, on ne peut qu'être pessimiste quant à l'existence d'une Pandora...

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