Malgré les milliers d'exoplanètes découvertes par les astronomes ces dernières années, déterminer si certaines d'entre elles sont ou non habitables est un défi majeur. Comme nous ne pouvons pas étudier ces planètes directement, les scientifiques sont obligés de rechercher des indications indirectes. Celles-ci sont connues sous le nom de biosignatures, qui consistent en des sous-produits chimiques que nous associons à la vie organique apparaissant dans l'atmosphère d'une planète.
Une nouvelle étude par une équipe de scientifiques de la NASA propose une nouvelle méthode pour rechercher des signes potentiels de vie au-delà de notre système solaire. La clé, ils recommandent, est de profiter des fréquentes tempêtes stellaires de jeunes étoiles naines fraîches. Ces tempêtes lancent d'énormes nuages de matière stellaire et de rayonnement dans l'espace, interagissant avec les atmosphères exoplanètes et produisant des biosignatures qui pourraient être détectées.
L'étude, intitulée «Phares atmosphériques de la vie des exoplanètes autour des étoiles G et K», a récemment paru dans Rapports scientifiques sur la nature. Dirigée par Vladimir S.Airapetian, astrophysicien principal à la Heliophysics Science Division (HSD) au NASA Goddard Space Flight Center, l'équipe comprenait des membres du Langley Research Center de la NASA, du Science Systems and Applications Incorporated (SSAI) et de l'American University .
Traditionnellement, les chercheurs ont recherché des signes d'oxygène et de méthane dans les atmosphères exoplanètes, car ce sont des sous-produits bien connus des processus organiques. Au fil du temps, ces gaz s'accumulent, atteignant des quantités qui pourraient être détectées par spectroscopie. Cependant, cette approche prend du temps et nécessite que les astronomes passent des jours à essayer d'observer les spectres d'une planète éloignée.
Mais selon Airapetian et ses collègues, il est possible de rechercher des signatures plus grossières sur des mondes potentiellement habitables. Cette approche reposerait sur la technologie et les ressources existantes et prendrait beaucoup moins de temps. Comme Airapetian l'a expliqué dans un communiqué de presse de la NASA:
"Nous sommes à la recherche de molécules formées à partir des conditions préalables fondamentales à la vie - en particulier l'azote moléculaire, qui représente 78% de notre atmosphère. Ce sont des molécules de base qui sont biologiquement amicales et ont un fort pouvoir émetteur infrarouge, augmentant nos chances de les détecter. »
En utilisant la vie sur Terre comme modèle, Airapetian et son équipe ont conçu une nouvelle méthode pour rechercher des signes de sous-produits de vapeur d'eau, d'azote et d'oxygène gazeux dans des atmosphères d'exoplanètes. Le vrai truc, cependant, est de profiter des types d'événements météorologiques spatiaux extrêmes qui se produisent avec des étoiles naines actives. Ces événements, qui exposent les atmosphères planétaires à des éclats de rayonnement, provoquent des réactions chimiques que les astronomes peuvent capter.
Lorsqu'il s'agit d'étoiles comme notre Soleil, une naine jaune de type G, de tels événements météorologiques sont courants lorsqu'ils sont encore jeunes. Cependant, d'autres étoiles jaunes et oranges sont connues pour rester actives pendant des milliards d'années, produisant des tempêtes de particules énergétiques et chargées. Et les étoiles de type M (naine rouge), le type le plus courant dans l'Univers, restent actives tout au long de leur longue vie, soumettant périodiquement leurs planètes à des mini-fusées éclairantes.
Lorsque ceux-ci atteignent une exoplanète, ils réagissent avec l'atmosphère et provoquent la dissociation chimique de l'azote (N²) et de l'oxygène (O²) gazeux en atomes uniques, et de la vapeur d'eau en hydrogène et en oxygène. Les atomes d'azote et d'oxygène décomposés provoquent alors une cascade de réactions chimiques qui produisent de l'hydroxyle (OH), plus d'oxygène moléculaire (O) et de l'oxyde nitrique (NO) - ce que les scientifiques appellent des «balises atmosphériques».
Lorsque la lumière stellaire frappe l'atmosphère d'une planète, ces molécules balises absorbent l'énergie et émettent un rayonnement infrarouge. En examinant les longueurs d'onde particulières de ce rayonnement, les scientifiques sont en mesure de déterminer quels éléments chimiques sont présents. La force du signal de ces éléments est également une indication de la pression atmosphérique. Prises ensemble, ces lectures permettent aux scientifiques de déterminer la densité et la composition d'une atmosphère.
Pendant des décennies, les astronomes ont également utilisé un modèle pour calculer comment l'ozone (O³) se forme dans l'atmosphère terrestre à partir de l'oxygène qui est exposé au rayonnement solaire. En utilisant ce même modèle - et en l'associant aux événements météorologiques spatiaux attendus d'étoiles fraîches et actives - Airapetian et ses collègues ont cherché à calculer la quantité d'oxyde nitrique et d'hydroxyle qui se formeraient dans une atmosphère semblable à la Terre et la quantité d'ozone qui serait détruite. .
Pour ce faire, ils ont consulté les données de la mission de la NASA Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics Dynamics (TIMED), qui étudie la formation de balises dans l'atmosphère terrestre depuis des années. Plus précisément, ils ont utilisé les données de son instrument Sounding of the Atmosphere Using Broadband Emission Radiometry (SABER), ce qui leur a permis de simuler comment les observations infrarouges de ces balises pouvaient apparaître dans les atmosphères exoplanètes.
Comme Martin Mlynczak, l'investigateur principal associé SABRE au Langley Research Center de la NASA et co-auteur de l'article, a indiqué:
«En prenant ce que nous savons du rayonnement infrarouge émis par l'atmosphère terrestre, l'idée est de regarder les exoplanètes et de voir quel type de signaux nous pouvons détecter. Si nous trouvons des signaux exoplanètes dans presque la même proportion que la Terre, nous pourrions dire que la planète est un bon candidat pour accueillir la vie. "
Ils ont découvert que la fréquence des orages stellaires intenses était directement liée à la force des signaux de chaleur provenant des balises atmosphériques. Plus les tempêtes se produisent, plus les molécules de balise sont créées, générant un signal suffisamment puissant pour être observé depuis la Terre avec un télescope spatial, et basé sur seulement deux heures d'observation.
Ils ont également constaté que ce type de méthode peut éliminer les exoplanètes qui ne possèdent pas de champ magnétique semblable à la Terre, qui interagissent naturellement avec les particules chargées du Soleil. La présence d'un tel champ est ce qui garantit que l'atmosphère d'une planète n'est pas dépouillée, et est donc essentielle à l'habitabilité. Comme l'a expliqué Airapetian:
«Une planète a besoin d'un champ magnétique qui protège l'atmosphère et protège la planète contre les tempêtes stellaires et les radiations. Si les vents stellaires ne sont pas assez extrêmes pour comprimer le champ magnétique d'une exoplanète près de sa surface, le champ magnétique empêche la fuite atmosphérique, il y a donc plus de particules dans l'atmosphère et un signal infrarouge résultant plus fort. "
Ce nouveau modèle est significatif pour plusieurs raisons. D'une part, il montre comment la recherche qui a permis des études détaillées de l'atmosphère terrestre et de ses interactions avec la météo spatiale est désormais orientée vers l'étude des exoplanètes. Il est également passionnant car il pourrait permettre de nouvelles études sur l'habitabilité des exoplanètes autour de certaines classes d'étoiles - allant de nombreux types d'étoiles jaunes et oranges aux étoiles naines rouges et fraîches.
Les naines rouges sont le type d'étoile le plus courant dans l'Univers, représentant 70% des étoiles dans les galaxies spirales et 90% dans les galaxies elliptiques. De plus, sur la base de découvertes récentes, les astronomes estiment que les étoiles naines rouges sont très susceptibles d'avoir des systèmes de planètes rocheuses. L'équipe de recherche prévoit également que les instruments spatiaux de nouvelle génération tels que le télescope spatial James Webb augmenteront la probabilité de trouver des planètes habitables à l'aide de ce modèle.
Comme William Danchi, astrophysicien principal de Goddard et co-auteur de l'étude, l'a déclaré:
«De nouvelles perspectives sur le potentiel de vie sur les exoplanètes dépendent essentiellement de la recherche interdisciplinaire dans laquelle les données, les modèles et les techniques sont utilisés par les quatre divisions scientifiques de la NASA Goddard: héliophysique, astrophysique, planétaire et sciences de la Terre. Ce mélange produit de nouvelles voies uniques et puissantes pour la recherche sur les exoplanètes. »
Jusqu'à ce que nous puissions étudier directement les exoplanètes, tout développement qui rend les biosignatures plus discernables et plus faciles à détecter est incroyablement précieux. Dans les années à venir, Project Blue et Breakthrough Starshot espèrent mener les premières études directes du système Alpha Centauri. Mais en attendant, les modèles améliorés qui nous permettent d'étudier d'innombrables autres étoiles à la recherche d'exoplanètes potentiellement habitables sont en or!
Non seulement ils amélioreront considérablement notre compréhension de la fréquence de ces planètes, mais ils pourraient également nous diriger vers une ou plusieurs Terre 2.0!
