Que faut-il penser de la possibilité de découvrir avec le télescope spatial James-Webb des traces chimiques de la vie dans la composition des atmosphères d'exoplanètes pas très loin du Soleil ? Dans un article de The Conversation, que nous reprenons et traduisons, la planétologue Joanna Barstow nous donne son avis.

The Conversation

Le télescope spatial James-Webbtélescope spatial James-Webb n'en est encore qu'au tout début d'une carrière que l'on espère, et à bon droit, aussi spectaculaire que celle d'HubbleHubble. Parmi les grandes découvertes que l'on attend de lui, il y a bien sûr celles concernant les premières galaxies avec les premières étoiles et l'origine des trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs.

Mais ce qui fait le plus rêver c'est sans doute la détection d'une vie ailleurs via des biosignatures dans l'atmosphère d'exoplanètesexoplanètes avec de l'eau liquideliquide. Tout le monde a probablement à l'esprit à ce sujet le cas du cortège planétaire autour de l'étoile Trappist-1, découvert en mai 2016 par une équipe internationale chapeautée par l'astronomeastronome belge Michaël Gillon. En effet, Trappist-1 se trouve à seulement 40 années-lumièreannées-lumière du Soleil environ et certaines de ses exoplanètes y sont potentiellement prometteuses pour l'exobiologieexobiologie. Une telle proximité en fait donc une cible de choix pour le James-Webb.

Futura avait demandé l'avis de l'astrophysicienastrophysicien Franck Selsis au sujet de Trappist-1 et des possibilités d'y trouver des biosignatures révélant l'existence de formes de vie. Il nous avait mis en garde contre en expliquant qu'il n'était nullement facile de déterminer des biosignatures fiables, que ce soit pour des exoplanètes autour de Trappist-1 ou ailleurs, et il est toujours très utile de relire les deux interviews qu’il nous avait accordées à ce sujet.

La planétologue Joanna Barstow, <em>Ernest Rutherford Fellow, The Open University.</em> © Joanna Barstow
La planétologue Joanna Barstow, Ernest Rutherford Fellow, The Open University. © Joanna Barstow

Aujourd'hui, sa collègue Joanna Barstow vient tout juste de publier un texte sur le même sujet et en rapport avec le James-Webb dans The Conversation. Tous les articles que ce média en ligne à but non lucratif publie sont sous licence Creative Commons, donc en accès libre. Nous reprenons donc l'article de The Conversation que nous traduisons, ainsi que son autobiographie accompagnant sa publication.

« Je suis une planétologue spécialisée dans l'étude des atmosphèresatmosphères des exoplanètes. Les exoplanètes sont des planètes qui orbitent autour d'étoilesétoiles autres que le Soleil. Nous pouvons observer leurs atmosphères lorsqu'elles passent entre nous et leur étoile mère ; la lumière de l'étoile filtre à travers l'atmosphère de la planète, et différents gazgaz de l'atmosphère absorbent certaines longueurs d'onde de lumière, laissant des empreintes digitalesempreintes digitales sur la lumière qui se rend jusqu'à nos télescopes. J'utilise des modèles informatiques de la lumière traversant les atmosphères pour les comparer avec les données des télescopes, ce qui nous aide à déterminer quels gaz sont présents sur chaque planète et en quelle quantité. Cela nous en dit long sur la façon dont ces planètes se sont formées et ont évolué, et nous aide à comparer les exoplanètes avec nos compagnons les plus connus du Système solaireSystème solaire. »

L'étude des exoplanètes, des mondes qui orbitent autour d'autres étoiles que notre soleil, est actuellement transformée par le nouveau télescope spatial James-Webb (JWST). Nous aurons bientôt un premier aperçu des conditions sur des mondes rocheux, potentiellement semblables à la Terre, au-delà de notre Système solaire. L'un de ces mondes lointains pourrait abriter la vie. Mais pourrions-nous le détecter ?

Nous pourrons peut-être repérer des signes de vie dans la composition de l'atmosphère de la planète. Nous pouvons utiliser une technique appelée spectroscopie de transmission - qui divise la lumière selon sa longueur d'onde - pour rechercher des traces de différents gaz dans la lumière des étoiles lorsqu'elle traverse l'atmosphère d'une planète.

Certains gaz absorbant la lumière des étoiles pourraient indiquer la présence de vie sur la planète. Nous appelons ceci des biosignatures.

1. Oxygène et ozone

L'oxygèneoxygène est probablement la biosignature la plus évidente. Les plantes le fabriquent, nous le respirons et les enregistrements des roches montrent que les niveaux dans l'atmosphère terrestre ont changé de façon spectaculaire à mesure que la vie évoluait. L'oxygène que nous respirons c'est O2, deux atomesatomes d'oxygène collés ensemble. Mais une autre configuration de l'oxygène, O3 ou ozoneozone, pourrait également être observée avec JWST.

Donc, si nous détections l'un de ces gaz ou les deux, est-ce que le travail serait fait ? Malheureusement non. Un autre scénario qui pourrait produire de grandes quantités d'oxygène atmosphérique est une planète subissant un « effet de serreeffet de serre incontrôlable ». Une fois qu'une planète est suffisamment chaude pour que son océan d'eau s'évapore, la vapeur d'eau qui en résulte dans l'atmosphère contribue à un effet de serre - surchauffe de la planète à des niveaux qui ne sont pas compatibles avec la vie - dans une boucle de rétroactionrétroaction.

Finalement, la planète devient suffisamment chaude pour que les moléculesmolécules d'eau se séparent en hydrogènehydrogène et en oxygène. Les molécules d'hydrogène sont légères et peuvent se déplacer assez rapidement pour échapper facilement à la gravité de la planète, tandis que l'oxygène plus lent a tendance à rester, prêt à être détecté et à tromper les astronomes sans méfiance.

2. Phosphine et ammoniac

La recherche de la vie se concentre actuellement principalement sur les exoplanètes, mais il y a également eu des développements récents plus près de chez nous. La phosphine – un gaz naturellement présent dans les atmosphères dominées par l'hydrogène comme celles des géantes gazeuses Jupiter et Saturne – a récemment été détectée dans l'atmosphère de Vénus. Fait intéressant, la phosphine est considérée comme une biosignature potentielle.

Sur Terre, la phosphine est produite par des micro-organismesmicro-organismes, par exemple dans le tractus intestinal des animaux. Si aucune vie n'est présente, nous ne nous attendrions pas à ce que la phosphine se produise en grande quantité dans les atmosphères de type VénusVénus, qui sont dominées par le dioxyde de carbonedioxyde de carbone. Cela dit, nous ne pouvons pas encore exclure d'autres sources de phosphine sur Vénus.

L'ammoniacammoniac nauséabond est un autre gaz de biosignature potentiel, également produit par des animaux sur Terre. Comme la phosphine, elle est répandue sur les planètes géantesplanètes géantes gazeuses, mais on ne s'attend pas à ce qu'elle se produise sur les mondes rocheux en l'absence de vie.

Cependant, la détection de phosphine ou d'ammoniac dans l'atmosphère d'une exoplanète lointaine est susceptible d'être difficile. Les deux atteignent des concentrations minuscules de seulement quelques parties par milliard sur Terre. Donc, à moins que nos extraterrestres potentiels ne soient beaucoup plus puants que les animaux de la Terre, nous ne les repérerons probablement pas de sitôt.

3. Méthane et dioxyde de carbone

Les gaz individuels qui sont des biosignatures sans ambiguïté sont rares, donc nous ferions peut-être mieux de chercher une combinaison gagnante si nous voulons détecter la vie. De grandes quantités de méthane, produites par des animaux qui pètent sur Terre, ainsi que du dioxyde de carbone seraient un bon indice qu'il se passe quelque chose.

S'il y a suffisamment d'oxygène disponible, le carbone préfère de loin traîner avec l'oxygène sous forme de dioxyde de carbone (CO2, un atome de carbone et deux atomes d'oxygène), plutôt que de former du méthane (CH4, un atome de carbone et quatre atomes d'hydrogène). Dans un environnement riche en oxygène, tout carbone se trouvant dans une molécule de méthane abandonne rapidement ses copains hydrogène au profit de quelques oxygènes de rechange.

Donc, voir beaucoup de méthane et de dioxyde de carbone coexister suggérerait que quelque chose - peut-être une bactériebactérie - produit constamment du méthane.

4. Déséquilibres chimiques

Nous pouvons appliquer l'argument ci-dessus à toute combinaison de gaz qui ne devrait pas coexister avec bonheur. La vie perturbe l'équilibre chimique de son environnement car elle utilise des réactions chimiquesréactions chimiques pour générer de l'énergie.

Sur Terre, l'oxygène est transformé en dioxyde de carbone, mais dans un autre type d'atmosphère, avec différents produits chimiques disponibles, la vie utiliserait d'autres processus pour atteindre le même objectif. Les bactéries productrices de méthane qui vivent autour des évents hydrothermaux au plus profond des océans de la Terre, par exemple, récoltent l'énergie chimique des minérauxminéraux et des composés chimiques. La recherche des déséquilibres nous permet d'avoir l'esprit ouvert sur ce à quoi pourrait ressembler la vie ailleurs.

Que se passera-t-il si nous repérons des signaux de vie extraterrestre ?

Le JWST dépasse déjà nos attentes pour les observations de l'atmosphère des exoplanètes. Aussi puissant soit-il, les planètes rocheusesplanètes rocheuses avec des températures douces et des atmosphères dominées par l'azoteazote ou le dioxyde de carbone seront toujours difficiles à étudier à l'aide de la spectroscopie de transmission. Les signaux que nous attendons de ces planètes sont beaucoup plus faibles que ceux que nous avons observés avec succès dans les atmosphères de géantes gazeuses chaudes.

Si nous avons la chance d'observer des gaz absorbant la lumière des étoiles dans l'atmosphère d'une exoplanète rocheuse - Trappist 1e, par exemple - nous devrons encore mesurer la quantité de ces gaz présents pour tirer des conclusions significatives.

Ce n'est pas simple car les signaux peuvent se chevaucher et doivent être soigneusement démêlés. Même si nous détectons et mesurons avec précision l'un de nos gaz de biosignature possibles, je ne pense pas que nous puissions prétendre avoir détecté une vie extraterrestre. Le JWST vient tout juste d'ouvrir un nouveau et riche laboratoire d'atmosphères planétaires, et au fur et à mesure que nous explorons, nous découvrirons sans aucun doute que bon nombre de nos hypothèses précédentes se sont avérées fausses.

Il serait prématuré de tirer des conclusions sur les extraterrestres chaque fois que nous découvrons quelque chose d'inhabituel. Une détection de biosignature par JWST serait un indice intéressant, avec la promesse de beaucoup plus de travail à faire...

En tant qu'astronome, c'est assez excitant pour moi.