Un détail d'une image capturée sur Mars par le robot Curiosity de la NASA montrant des couches sédimentaires exposées de mudstone et de grès en contact les unes avec les autres. © Nasa / JPL-Caltech / MSSS

Sciences

Paradoxe du jeune Soleil faible : Mars détient peut-être la clé de l'énigme

ActualitéClassé sous :Univers , Système solaire , climatologie

Pendant l'Archéen, il y a entre 3,8 et 2,5 milliards d'années, le Soleil devait être moins brillant qu'aujourd'hui et la Terre primitive aurait dû se trouver au-delà de la zone d'habitabilité, complètement glacée. Pourtant, des océans y existaient : c'est le « paradoxe du jeune Soleil faible ». Mais était-il vraiment moins brillant ? Une théorie à ce sujet pourrait être testée en examinant les sédiments martiens de cette époque.

Comme le rappelait le précédent article de Futura ci-dessous, c'est Carl Sagan qui a pris conscience du paradoxe du jeune Soleil faible, au début des années 1970, avec son collègue George Mullen. Initiée par les pionniers des années 1930, la théorie de l'évolution stellaire était déjà bien développée à l'époque. Et d'autant mieux assise, grâce à l'essor de l'astrophysique nucléaire après-guerre, celui des ordinateurs sur lesquels sont implémentés de puissants algorithmes modélisant la structure stellaire et bien sûr, les progrès de l'astronomie observationnelle.

Les deux chercheurs s'appuyaient donc sur une théorie bien rodée qui pose que le Soleil était de 15 à 25 % moins lumineux, il y a quelques milliards d'années. Sauf qu'il en résulte aussitôt que la Terre ne devait pas être dans la zone d'habitabilité de notre étoile et qu'elle devait, en fait, être recouverte de glace. Cette intuition étant en contradiction avec les données des archives géologiques de la Terre, le paradoxe est révélé et ce, d'autant plus que l'existence d'eau liquide sur Mars, il y a plus de 3 milliards d'années, est encore plus incompréhensible pour la même raison.

La solution la plus évidente à cette énigme, et dont on tient compte aujourd'hui pour évaluer l'habitabilité des exoplanètes découvertes, c'est de postuler une composition de l'atmosphère de la Terre primitive (et celle de Mars) plus riche en gaz à effet de serre (gaz carbonique, méthane), que ce que l'on imagine à cette période de son histoire. Mais il est difficile d'avoir des preuves de cette hypothèse, la mémoire géochimique et géologique de la planète bleue étant de plus en plus parcellaire et difficile à déchiffrer au fur et à mesure que l'on remonte plus loin dans le passé de l'Archéen.

À Punta di Maiata, sur la côte Sud de la Sicile, les effets des cycles de Milankovitch, via des couches marno-calcaires, par endroit, se présentent avec des quadruplets de couleur rose, blanc, gris, blanc, réguliers. Ainsi, les strates roses correspondent à une période chaude où du sable du Sahara, riche en oxyde de fer, s’est incorporé aux sédiments alors les couches grises et blanches correspondent à des périodes plus froides. © Dronedary

Des cycles de Milankovitch enregistrés dans les strates martiennes ?

L'autre solution a été de postuler une éventuelle sous-estimation de la perte de masse sous forme de vents solaires au début de l'histoire de notre étoile. Il suffirait que le Soleil ait été de 5 % plus massif initialement pour que son rayonnement ait été plus intense pendant l'Archéen, rendant naturellement possible l'existence d'océans. Mais comment tester cette théorie ?

En se basant sur les précédents travaux de leurs collègues, une dizaine d'années auparavant, Christopher Spalding, planétologue à l'université de Yale, Woodward Fischer, géobiologiste au célèbre Caltech à Pasadena, et l'astronome Gregory Laughlin, de Yale, viennent de proposer une solution dans un article déposé sur arXiv et publié dans The Astrophysical Journal Letters.

Qui dit masse plus élevée, dit champ de gravité plus intense pour le Soleil ; et donc, une influence sur les orbites des planètes plus conséquente et même sur leur rotation. Or, cela va donc avoir des conséquences sur les fameux cycles de Milankovitch sur Terre. Des traces claires de ces cycles se trouvent dans les archives très récentes de l'histoire de notre monde, notamment en Sicile, mais quant à les rechercher pendant l'Archéen, c'est impossible du fait, notamment, de la tectonique des plaques.

Mais Mars devrait avoir subi aussi des changements dans l'équivalent de ses propres cycles de Milankovitch selon les trois chercheurs. Dans les deux cas, l'ellipticité des orbites de la planète rouge et de la planète bleue varie  avec une période de l'ordre de 405.000 ans, période qui aurait été  un peu plus courte si le Soleil était plus massif de 5 % pour être de l'ordre de 386.000 ans.

Or, Mars ne semble pas avoir de tectonique des plaques ou, pour le moins, elle s'est arrêtée rapidement et il y a longtemps, de sorte qu'une mémoire sédimentaire a été conservée, plus riche et plus précise que celle de la Terre sur des milliards d'années. Au début de l'équivalent de l'Archéen sur Terre, des variations saisonnières et cycliques du climat encore humide ont donc dû laisser des traces dans les strates martiennes, strates qui devraient avoir été conservées jusqu'à aujourd'hui.

Il ne reste donc plus qu'à une mission martienne de tenter de trouver ces traces dans un futur encore indéterminé...

  • Pendant l'Archéen (entre 3,8 et 2,5 milliards d'années), le Soleil devait être moins brillant qu'aujourd'hui et la Terre primitive aurait dû se trouver au-delà de la zone d'habitabilité, complètement glacée. Pourtant, des océans y existaient : c'est le « paradoxe du jeune Soleil faible ».
  • La composition de l'atmosphère de la Terre à ce moment-là était peut-être plus riche en gaz à effet de serre (CO2 ou méthane), que ce que l'on pensait, ce qui permettrait de résoudre l'énigme.
  • Mais peut-être aussi, la luminosité du Soleil était-elle plus élevée car sa perte de masse pendant cette période aurait été sous-estimée, il aurait été plus massif de 5 % au début de l'Archéen, ce qui implique effectivement une luminosité plus grande d'après la théorie de la structure stellaire.
  • Une masse plus importante implique des effets de la gravitation plus importants, ce qui aurait modifié les cycles de Milankovitch de la Terre mais aussi de Mars. Les traces de ces cycles très anciens sont perdues sur Terre mais probablement pas sur Mars. Il suffirait de les chercher dans des strates.
Pour en savoir plus

Le paradoxe du jeune Soleil faible est peut-être résolu

Article de Laurent Sacco publié le 19/07/2013

Pendant l'Archéen (entre 3,8 et 2,5 milliards d'années), le Soleil était moins brillant qu'aujourd'hui et la Terre primitive aurait dû se trouver au-delà de la zone d'habitabilité, complètement glacée. Pourtant, des océans y existaient : c'est le « paradoxe du jeune Soleil faible ». Une simulation sur ordinateur vient de pointer vers l'existence, dans les jeunes années de la Terre, d'un effet de serre compensant la faiblesse solaire.

En 1972, Carl Sagan est encore un parfait inconnu. Il n'a pas encore lancé le message d’Arecibo avec Franck Drake, bien qu'il soit déjà à l'origine cette année-là de la plaque de Pioneer. Et surtout, sa désormais mondialement célèbre série télévisée Cosmos n'existe pas encore. Mais avec son collègue George Mullen il prend conscience à cette époque d'un paradoxe majeur en astrobiologie, connu aujourd'hui sous le nom de paradoxe du jeune Soleil faible.

Les deux astrophysiciens savent en effet que selon la théorie de l'évolution stellaire, le Soleil devait être de 20 à 30 % moins lumineux pendant l'Archéen, il y a environ 3,5 milliards d'années. Or, si tel était bien le cas, la zone d’habitabilité autour de notre étoile devait être différente. Plus précisément, cela implique que la Terre était trop loin du Soleil pour que de l'eau liquide existe à sa surface. Néanmoins, il existe des preuves indéniables de la présence de cette eau sous forme d'océans.

Un effet de serre dans une atmosphère en « 1D »

On peut bien évidemment résoudre ce paradoxe en invoquant la présence massive de gaz à effet de serre dans l'atmosphère de l'Archéen. Mais il fallait pour cela construire des modèles du climat avec une atmosphère dépourvue d'oxygène et riche en CO2, et contenant éventuellement des quantités non négligeables de méthane. Cela avait été fait mais avec des modèles très simplifiés de l'atmosphère de la jeune Terre puisqu'ils étaient notamment en « 1D ». Diverses conclusions contradictoires en avaient été tirées, mais aucune solution ferme au paradoxe du jeune Soleil faible n'avait été atteinte.

L'énigme est peut-être en phase d'être résolue, grâce aux travaux menés par Brian Toon et Eric Wolf, et qui viennent d'être publiés dans un article du journal Astrobiology.

Carl Sagan a marqué bon nombre d'esprits de par le monde avec sa célèbre série Cosmos. Il a éveillé bien des vocations d'astronomes et d'exobiologistes. Aujourd'hui, un de ses anciens élève en doctorat apporte des éléments de réponse nouveaux au paradoxe qu'il avait découvert au début des années 1970 concernant l'habitabilité de la Terre pendant l'Archéen. © Nasa

6.000 heures de calculs pour une atmosphère de l'Archéen en 3D

Brian Toon est un ancien élève doctorant de Sagan et avec son étudiant Eric Wolf, il a utilisé la puissance des superordinateurs modernes pour tenter de mettre un point final aux discussions concernant l'énigme révélée par Sagan et Mullen. Grâce au supercalculateur Janus, les deux chercheurs ont pu effectuer des simulations plus réalistes du climat de la Terre archéenne, notamment parce que ces calculs ont été conduits en 3D. Ce travail colossal a nécessité environ 6.000 heures de temps de calcul, ce qui aurait pris environ 10 ans sur un ordinateur classique.

Wolf et Toon ont utilisé un modèle de circulation atmosphérique général, connu sous le nom de Community Atmosphere Model (CAM) version 3.0, développé par le National Center for Atmospheric Research à Boulder. Il modélise en 3D les interactions entre les océans, l'atmosphère, les continents, et même les nuages et glaces de la Terre. Les deux chercheurs ont également finement réglé le transfert radiatif de l'énergie solaire, en prenant en compte un effet de serre inhabituel dû à la composition particulière probable de l'atmosphère de l'Archéen, c'est-à-dire sans d'oxygène ni d'ozone, mais avec beaucoup de CO2 et éventuellement du méthane.

Un cycle piégeant moins de carbone sur la Terre primitive

La solution la plus simple pour résoudre le paradoxe de Sagan et Mullen fait intervenir une teneur de 1.000 ppm (parties par million) en méthane et de 20.000 ppm de CO2 (400 aujourd'hui). Une telle composition n'est pas du tout fantaisiste car pendant l'Archéen, les conditions fixant le cycle du carbone sur Terre étaient différentes. Les continents étaient de plus petite taille et il n'y avait pas d'érosion des sols due aux racines de plantes par exemple. De sorte que les processus capables de fixer des carbonates dans l'océan sous forme de calcaire et de faire diminuer la présence du dioxyde de carbone dans l'atmosphère n'étaient pas aussi actifs qu'aujourd'hui.

Faut-il pour autant penser que la solution au paradoxe du jeune Soleil faible a été trouvée ? Avec prudence, Wolf a répondu à cette question en déclarant : « Je ne veux pas être présomptueux. Mais nous montrons que le paradoxe n'est certainement pas aussi difficile à résoudre que ce que l'on croyait au cours des 40 dernières années. Alors que nous ne pouvons pas dire avec certitude à quoi ressemblait l'atmosphère de la Terre pendant l'Archéen, par manque de données géologiques, il n'est certainement pas exagéré d'affirmer qu'il est tout à fait possible d'obtenir avec notre modèle une Terre primitive assez chaude pour avoir été propice à la vie ».

Abonnez-vous à la lettre d'information La quotidienne : nos dernières actualités du jour.

!

Merci pour votre inscription.
Heureux de vous compter parmi nos lecteurs !

Cela vous intéressera aussi

Curiosity : un an sur Mars en deux minutes  Découvrez dans ce timelapse une année d'exploration martienne en deux minutes. Curiosity est à l'oeuvre : le rover roule, creuse... © NASA/JPL