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A la recherche de planètes habitables Identifier les biosignatures (II)
Par biosignature, on entend un signal (spectral, photométrique ou temporel) dont l’origine requiert un agent biologique. Pour découvrir des traces passées ou présentes de vie au-delà du système solaire, nous devons identifier des biosignatures fiables et apprendre de quelle manière les mesurer dans l’environnement des exoplanètes. Les planètes peuvent bien sûr abriter des structures non-biologiques qui ressemblent voire copient les biosignatures. Il faut donc en avoir une compréhension aussi parfaite que possible pour éviter les mauvaises surprises. Tout le monde sait qu’un cristal en croissance présente quelques signes assez proche d’un organisme vivant, mais il est bel et bien inerte. En dressant la liste des biosignatures et de leurs « imitations » non-biologiques nous devons embrasser une grande diversité de biota et de conditions physico-chimiques à travers l’univers, dont le nombre dépasse probablement de loin la diversité terrestre. Lorsque ces signatures de la vie seront identifiées, nous pourrons les utiliser pour détecter d’éventuelles traces de vie présente ou passée sur d’autres planètes en orbite autour des étoiles proches. L’une des biosignatures les plus importantes est l’oxygène. Sur Terre, ce gaz est produit par la photosynthèse assurée par les plantes vertes qui utilisent la lumière du Soleil pour convertir le dioxyde de carbone et l’eau en hydrates de carbone. Une fois créé, l’oxygène moléculaire peut se combiner avec d’autres molécules dans un processus d’oxydation, ce qui tend à faire disparaître sa signature spectrale à moins que son taux de concentration soit entretenu par un processus continu, ce qui est le cas sur Terre à travers la photosynthèse. Ainsi une concentration importante d’oxygène, ainsi que de vapeur d’eau et dioxyde de carbone suggère fortement que la vie est présente. L’oxygène moléculaire est détectable dans la partie rouge du spectre tandis que l’ozone produit par photolyse est détectable dans les parties visible et infrarouge du spectre. La recherche des biosignatures de l’oxygène ou de l’ozone est l’une des principaux objets de la mission Terrestrial Planet Finder (TPF) de la NASA.
Une biosignature potentielle est celle du méthane, un gaz qui est produit par les organismes vivants, mais il peut également avoir une origine non biologique. Une autre biosignature est l’oxyde d’azote - le monoxyde d'azote (NO) et le dioxyde d'azote (NO2) - qui est uniquement produit par les organismes vivants. Malheureusement, ces gaz ne sont pas très abondants dans l’atmosphère terrestre – leur signature spectrale est faible – et leur détection sur une exoplanète semblable à la Terre nécessitera probablement l’utilisation de la nouvelle génération de détecteurs qui succèdera à TPF, tel que Life Finder. Pour identifier les principales biosignatures, les bioastronomes doivent à la réaliser des observations sur le terrain et en laboratoire mais également effectuer des simulations théoriques afin de déterminer les relations entre les structures et les fonctions des écosystèmes microbiens et les produits gazeux qu’ils produisent. Les écosystèmes similaires à l’ancienne biosphère terrestre (c’est-à-dire basés sur la chimiosynthèse, la photosynthèse réductrice, les communautés thermophiles et souterraines, etc) devraient également être inclus dans cette étude puisque tout indique que sur Terre ils ont participé et participent encore au développement de la vie dans les milieux hostiles ou pour le moins éloignés des conditions ordinaires de survie. Les
effets de paramètres aussi importants que la température et l’abondance
de l’eau, du gaz carbonique et de l’oxygène devraient être
évalués car ils varient au cours de l’évolution d’une planète. Les planètes habitables sont géologiquement actives et c’est la raison pour laquelle elle peuvent créer des entités non biologiques simulant des biosignatures.
Les processus hydrothermaux par exemple qui se manifestent sur une exoplanète peuvent former une écorce tellurique plus réductrice que ce que la Terre peut produire à partir du méthane et à des taux comparables aux taux biologiques terrestres. Pour citer un autre exemple, les processus non biologiques produisant de l’oxygène peuvent être suffisamment productifs pour atteindre des seuils où ils sont détectables dans l’atmosphère d’une planète géologiquement moins active que la Terre. C’est pourquoi il est impératif de déterminer les conditions environnementales de toute exoplanète sur laquelle des biosignatures auraient été identifiées. Les biosignatures que l’on détecteraient dans les atmosphères et sur les surfaces planétaires peuvent être altérées chimiquement par l’effet de la lumière et d’autres réactions qui se manifestent dans les atmosphères gazeuses ainsi que dans les nuages de la basse atmosphère. Ces gaz peuvent également être transportés dans la haute atmosphère et subir des réactions additionnelles. Les questions qui sont posent dans ce contexte sont donc de savoir quelles sont les biosignatures qui peuvent survivre à ces processus atmosphériques ? Et sous quelle forme chimique survivent-elles ? Enfin, comment leur survie ou leur transformation varie-t-elle en fonction de la structure verticale de l’atmosphère, de sa composition, de la température, de la circulation et de la quantité de nuages ? Tant les études en laboratoire que les simulations sont nécessaires pour explorer les propriétés d’éventuelles exoplanètes habitables dont la structure serait différente de celle de notre propre atmosphère. Parmi celles-ci citons les atmosphères pauvres ou manquant d’oxygène moléculaire et/ou comprenant des nuages de composition variable, y compris des constituants que l’on rencontre à la limite de la zone habitable (par exemple des nuages dense d’eau en suspension, des nuages de gaz carbonique) ou sur une planète très jeune. Sur base des connaissances que nous avons de l’évolution de la vie sur Terre, on s’attend à ce que les signature spectrales de la vie sur une autre planète dépendent essentiellement de l’âge de la planète. Les chercheurs en astrobiologie de la NASA comptent parmi les experts les plus compétents en cette matière et devront aider les chercheurs à expertiser de quelle manière ces signes de vie peuvent apparaître à différents stades de l’évolution d’une planète, y compris sur les planètes dont les propriétés et l’évolution sont différentes de celle de la Terre. Les résultats de cette recherche ont permis de concevoir les instruments embarqués à bord de la mission TPF et de son successeur Life Finder. Ils ont par exemple déterminé quelles devaient être les valeurs extrêmes supportées par le spectroscope optique (via des méthodes coronographiques) ou le spectroscope infrarouge (qui nécessite un interféromètre dont la base est très étendue). Rechercher les étoiles propices au développement de la vie Afin que nous puissions évaluer l’habitabilité d’une exoplanète tellurique, celle-ci doit se trouver suffisamment près du système solaire pour que nous puissions braquer sur elles nos plus puissants instruments d’investigation. Une bonne méthode pour trouver des exoplanètes dans la zone habitable est de mesurer la vitesse radiale des systèmes planétaires les plus proches, une méthode inventée par les astronomes suisse Mayor et Queloz.
Cette méthode spectroscopique permet de détecter toute perturbation induite par l’attraction gravitationnelle d’une éventuelle planète en orbite autour de l’étoile en mesurant son effet Doppler. Ce projet est en cours depuis quelques années et donne d'excellents résultats. Vers 2009 la mission de l'Interféromètre Spatial SIM devrait être en mesure de détecter les éventuelles exoplanètes telluriques orbitant autour des étoiles les plus proches et d'estimer leur masse. Ses principales missions seront toutefois de déterminer la position et la distance des étoiles avec une précision des centaines de fois supérieure aux programmes antérieurs, de mesurer les paramètres dynamiques de la Voie Lactée ainsi que le mouvement propre de 27 galaxies proches. Ces différentes activités font partie des étapes d’un programme de recherche qui débutera par la mission TPF. Comme nous l’avons dit, le but de TPF est de photographier les systèmes planétaires proches du Soleil en haute résolution afin de séparer l'éventuelle exoplanète tellurique orbitant dans ou près de la zone habitable de son étoile. La mission SIM devrait donner des résultats encore plus spectaculaires sachant que sa résolution sera 50 fois supérieure à Hubble, soit 0.008". La détection directe de telles planètes est très difficile à la fois en raison de leur faible luminosité et leur faible séparation angulaire par rapport à l’étoile centrale.
Sur les 150 étoiles qui seront observées, il est impossible d’estimer combien d’exoplanètes pourraient orbiter dans la zone habitable. On n’aura probablement pas la réponse avant 2010, lorsque les premiers résultats des missions Kepler et SIM seront connus. Statistiquement parlant, l’estimation la plus basse considère que TPF devrait détecter des dizaines d’exoplanètes terrestres dans la zone habitable entourant ces 150 étoiles. L’avenir nous dira si nos estimations sont exactes. Le projet TPF disposera d’un télescope coronagraphique précis et de grand diamètre capable de réaliser des images des systèmes planétaires en lumière visible en occultant l’étoile centrale pour éviter de surexposer l’image. Le second instrument embarqué sera un interféromètre infrarouge qui combinera la lumière de plusieurs petits télescopes distribués le long d’une très grande base. Les deux instruments devraient en principe être capables de détecter des exoplanètes telluriques à moins de 15 parsecs. Le choix final dépendra probablement de la faisabilité technique et du prix de l’instrument. Lorsqu’une exoplanète sera détectée, des observations réparties tout au long de son « année » permettront de déterminer sa période orbitale ainsi que sa distance à son étoile. Ces paramètres permettront déjà d’avoir quelques indices sur la température de la planète, par exemple si elle réside ou non dans la zone habitable de l’étoile. Un autre paramètre clé est la taille de la planète, et donc sa masse. Même si cette exoplanète orbite dans la zone habitable, elle n’est pas viable pour autant. En effet, si sa masse est trop petite, elle ne pourra jamais retenir son atmosphère, tandis qu’une planète trop massive présentera une atmosphère si épaisse que la lumière de son étoile n’atteindra jamais sa surface La masse de la planète détermine enfin la probabilité d’existence de plaques tectoniques qui, en retour, peuvent jouer un rôle important dans le recyclage des matériaux de surface et donc affecter les conditions physico-chimiques qui prédisposent à l’apparition et au développement de la vie. Si on découvre des exoplanètes semblables à la Terre en orbite autour des étoiles proches, leur masse pourra directement être déterminée par SIM. Dans le cas inverse la taille de l’exoplanète pourra au moins être estimée soit à partir des données relevées dans le proche infrarouge (avec la version infrarouge de l’interféromètre du TPF), soit à partir de son albédo (mesuré par la version visuelle du coronographe de TPF). Enfin, à partir de la taille de l’exoplanète et connaissant la relation entre taille, masse et environnement thermique des planètes telluriques, on pourra raisonnablement estimer la masse de la planète. De beaux défis en perspectives. Rechercher les traces de vie sur les exoplanètes La connaissance certaine des profils spectraux indiquant la présence d’une vie sur une exoplanète ainsi que les indices technologiquement parlant les plus faciles à mesurer sont des facteurs très importants qui conditionneront la conception de la mission TPF.
La mission TPF devrait disposer de suffisamment de moyens spectroscopiques pour rechercher les atmosphères les plus riches sous-tendant une activité organique. Les plans actuels considèrent qu’il faudrait découvrir et étudier les exoplanètes telluriques orbitant autour de n’importe quelle des 150 étoiles similaires au Soleil situées à moins de 15 parsecs du système solaire. Toutefois, la dimension de cet espace sera redéfini à mesure que l’on recueillera plus d’information sur la rareté ou l’abondance du phénomène, notammen à partir des résultats des missions COROT et Kepler. Même la détection d’une seule exoplanète porteuse de vie sera considérée par tous les scientifiques comme une découverte majeure. A l’inverse, le fait d’apprendre qu’il n’existe aucune exoplanète dans notre voisinage supportant des conditions propices à la vie impliquera une toute aussi sérieuse conclusion statistique quant aux conditions de son apparition. Toutefois, la distance à laquelle nous pourrions trouver cette planète où le miracle de la vie se serait produit, l’évaluation de la magnitude apparente de cette éventuelle exoplanète et sa séparation angulaire à son étoile sont autant de paramètres qui ne seront réellement déterminés qu’au milieu de la prochaine décennie, soit au plus tôt vers 2015. Aujourd’hui, on peut malgré tout supposer, qu’à moins que les exoplanètes concernées présentent de très fortes biosignatures et soient répandues autour des étoiles solaires, cette recherche nécessitera les instruments les plus sophistiqués, probablement plus complexes que les moyens mis actuellement en oeuvre. Les concepteurs de la NASA travaillent également sur la mission Life Finder dont l'objectif sera de trouver de la vie. Le projet est en bonne voie mais aucun plan ou illustration n’existe encore. La mission Life Finder disposera d’une surface collectrice et d’une résolution supérieure à celle de TPF afin de rechercher d’autres biosignatures, spécialement celles de gaz présentant une forte abondance loin de l’état d’équilibre, une preuve non ambiguë d’une trace de vie (l’état d’équilibre signifiant la stabilité, la mort). Life Finder présentera également une meilleure résolution spatiale qui, alliée à sa plus grande luminosité, devrait permettre d’étendre la recherche d’exoplanètes telluriques au-delà de l’espace exploré par TPF, ce qui représente un espace contenant plusieurs milliers d’étoiles sans doute. Cette quête vers des contrées toujours plus reculées de notre proche banlieue cosmique constituera certainement le grand défi de l’astronautique des décennies à venir, non seulement sur le plan technologique mais également d'un point de vue intellectuel. Au-delà de la conception de ces missions, demeure la question ultime de savoir si la vie existe dans ce vaste univers, par exemple sur des exoplanètes orbitant autour d’étoiles si éloignées que nous n’avons aucune chance de détecter leurs biosignatures spectrales... En fait on ne peut répondre à cette question qu'en extrapolant à partir de nos connaissances de l’évolution de la vie dans le système solaire, en essayant de déterminer une certaine probabilité d’existence dans toute la Galaxie ou dans celle d’Andromède, ou même à tout l’univers. Si on trouve partout des traces de vie dans notre proche banlieue stellaire, on pourra alors conclure que la vie est un phénomène ordinaire dans notre Galaxie et même dans les contrées les plus éloignés de l’univers. Mais si la vie est absente de tous les environnements extraterrestres que nous explorerons, dans cette éventualité nous aurons une estimation de la rareté du phénomène et combien son apparition sur Terre fut un événement hautement improbable mais également le cadeau le plus précieux que nous ait fait dame Nature. Pour plus d’information Le projet PlanetQuest (sur ce site) Des milliards de Terre (sur ce site) La vie autour des étoiles géantes rouges (sur ce site) Galileo à la recherche de la vie sur Terre (sur ce site) Looking for Terrestrial Vegetation Signature in Earthshine, L.Arnold et al. (PDF) Biomarkers and biosignatures (LPI) La mission Terrestrial Planet Finder (TPF) Space Interferometry Mission (SIM) Lex exoplanètes (Obspm, Java) The Extrasolar Planets Encyclopaedia (CNRS) New Worlds Atlas (NASA) Planet Quest (JPL) California & Carnegie Planet Search Illustrations Alien Worlds (Thierry Lombry) Extrasolar Visions (John Whatmoug et al) Extrasolar Planets (Mike Matessa)
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