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A la recherche des exoplanètes superhabitables

Une Terre II "superhabitable" et sa grande lune elle-même escortée d'un satellite gravitant dans la zone habitable d'une étoile naine K. Si ce paysage est imaginaire, ces types de relief et de végétation ne sont pas sans rappeler ceux existant dans les steppes de Mongolie. Document T.Lombry.

En quête d'une meilleure planète que la Terre (I)

Le fait que la Terre regorge de vie fait qu'il semble étrange de se demander s'il pourrait exister d'autres planètes dans notre Galaxie qui pourraient être encore plus adaptées à la vie. Négliger cette classe possible d'exoplanètes "superhabitables" pourrait cependant être considéré comme un biais anthropocentrique et géocentrique. Le plus important du point de vue d'un observateur à la recherche d'une vie extraterrestre est qu'une telle recherche pourrait être effectuée plus efficacement en mettant l'accent sur les planètes superhabitables au lieu des planètes semblables à la Terre.

Selon l'astrobiologiste Dirk Schulze-Makuch de l'Université Technique de Berlin et de l'Université d'État de Washington et ses collègues, il pourrait exister des systèmes extrasolaires où les paramètres astrophysiques des étoiles hôtes pourraient permettre aux exoplanètes d'être encore plus propices à la vie que la Terre. Nous allons identifier ces paramètres et leurs plages optimales, dont certains sont motivés par l'astrophysique, tandis que d'autres sont basés sur l'habitabilité variable de l'histoire de notre planète. Certaines de ces conditions sont loin d'être testables par l'observation des exoplanètes. Pourtant, on peut dresser une courte liste de 24 prétendantes parmi les quelque 4000 exoplanètes connues aujourd'hui qui pourraient être des candidates au titre enviable de planète superhabitable. Ce sont les conditions requises pour appartenir à ce petit club de planètes privilégiées que nous allons décrire en collaboration avec Dirk Schulze-Makuch et ses collègues.

Introduction

La Terre est le berceau de l'humanité et notre seule échelle de référence en ce qui concerne la vie sous tous ses aspects. Les biologistes et les environnementalistes nous ont démontré à quel point la biosphère de notre planète est intrinsèquement liée à la géosphère (J.E. Lovelock et L.Margulis, 1974), ce qui contraste fortement avec les autres planètes ou lunes qui nous entourent. Ces mondes sont soit sans vie (par exemple Mercure) ou, dans le cas où une vie extraterrestre existerait, elle ne semble pas être un phénomène global ni même aisé à identifier (par exemple Mars, H.P. Klein, 1999).

Compte tenu de la biodiversité et de la grande biomasse de notre planète, on s'imagine mal qu'il puisse exister ailleurs dans la Galaxie ou dans l'univers une autre planète qui serait encore plus adaptée à la vie que celle que nous connaissons (R.Heller et J.Armstrong, 2014; R.Heller, 2015). Pourtant, se référencer à la Terre comme exemple de planète la plus appropriée pour porter la vie devrait être considérer comme anthropocentrique et géocentrique et irait même à l'encontre du principe copernicien (J.Gott, 1993 et en PDF). Mais ne connaissant pas d'autre planète abritant une vie aussi florissante, nous n'avons pas d'autre choix que de nous baser sur l'expérience de la Terre pour affirmer que les conditions physico-chimiques de notre planète sont favorables à son habitabilité et pourraient avoir une portée universelle.

En fait, l'histoire de la Terre montre que l'habitabilité a fluctué de manière assez significative au cours des éons géologiques. Cela ne fait pas seulement référence aux impacts majeurs d'astéroïdes ou à d'autres calamités qui ont anéanti de grandes parties de la biosphère, mais aussi aux évènements de la "Terre boule de neige" de longues durées qui ont contraint les biosphères pendant des millions d'années (P.D. Ward et D.Brownlee, 2000).

De grandes différences dans l'habitabilité de notre planète étaient également présentes avant et après la Grande Oxydation survenue il y a environ 2.4 milliards d'années, où la teneur en oxygène plus élevée joua un rôle important dans le développement du métabolisme aérobie et avec elle l'avènement d'une vie complexe (W.Bains et D.Schulze-Makuch, 2016). En tant que vie complexe, nous comprenons la vie macroscopique multicellulaire qui fonctionne de manière similaire chez les animaux, les plantes et les champignons.

Avec ces mises en garde à l'esprit, en comparant l'habitabilité potentielle sur les exoplanètes à celle de la Terre, on se basera donc sur l'habitabilité de la Terre telle qu'elle est aujourd'hui - avec toute la biomasse et la biodiversité qui nous sont familières.

Considérations relatives à l'habitabilité

L'habitabilité est généralement comprise comme le potentiel d'une planète à développer et à maintenir des environnements propices à la vie (C.S. Cockell et al., 2016). Ainsi, il est difficile et même impossible de mesurer l'habitabilité dans l'absolu avec nos connaissances actuelles. Il est important de noter qu'une planète peut être habitable, mais sans vie, car la vie ne s'y est jamais développée. Cela peut être le cas lorsque les contraintes environnementales sont beaucoup trop sévères pour permettre l'émergence de la vie.

Ainsi, lorsque nous discutons de l'existence éventuelle de planètes habitables ou superhabitables, nous ne supposons pas nécessairement que ces planètes hébergent la vie et nous n'aborderont donc pas, du moins directement, la question notoirement difficile de savoir comment, où et dans quelles conditions la vie émerge de l'inerte (D.Schulze-Makuch et W.Bains, 2017), des conditions qui pourraient être très différentes de celles dans lesquelles la vie s'est épanouie sur la Terre.

Un autre point à noter est que la gamme de niches habitables sur une exoplanète pourrait être beaucoup plus étendue pour les biochimies alternatives extraterrestre et pourrait également présenter une plus grande variété de formes et de fonctions que les formes de vie terrestres (cf. le polymorphisme du monde; D.Schulze-Makuch, 2015). Si des molécules autres que l'eau - par exemple l'ammoniac - sont considérées comme un solvant pour une biochimie extraterrestre, les types d'habitats possibles augmentent énormément mais ils deviennent aussi hautement spéculatifs.

Ce type d'évaluation dépassant le cadre de cet article, nous limiterons notre analyse et notre discussion à la vie telle que nous la connaissons, c'est-à-dire la vie assemblée à partir de blocs à base de carbone et d'eau comme solvant, fonctionnant à peu près dans les conditions environnementales de la vie sur Terre (cf. les clés de la vie sur Terre). Ces limites, basées sur nos connaissances actuelles, sont résumées dans le tableau 1 ci-dessous.

Tableau 1. Limites environnementales approximatives de la vie sur Terre

telles qu'elles que nous les connaissons actuellement

Paramètre environnemental

Bactéries et archéens

 Eucaryotes, y compris les organismes multicellulaires

Exemples d'environnements

Température

-18°C à 130°C, Methanopyrus kandleri, 122°C pour la croissance; Geogemma barossii, 130°C pour la survie, croissance bactérienne au moins jusqu'à environ -18°C

-18°C à ~105°C Ver de Pompéi (105°C), cécidomyie de l'Himalaya et levure Rhodoturula glutinis à -18°C

Systèmes hydrothermaux sous-marins, sources chaudes géothermiques, poches de saumure dans la glace de mer à environ - 30°C, zones continentales profondes

pH

pH -0.5 à 13, archéens acidophiles tels que Ferroplasma sp. (~pH 0); Plectonème (pH 13), Natrobacterium (pH 10.5)

pH 0-10, champignons tels que Cephalosporium (pH 0), nombreuses espèces de protistes et de rotifères (pH 10)

Le drainage minier acide, les sites géothermiques (soufrées par exemple Yellowstone), lacs de soude, les systèmes hydrothermaux péridotite hébergés (par exemple évent de Lost City)

Activité marine

La majorité des microbes ne peuvent se multiplier qu'entre 0.9-1.0, extrêmophiles, bactéries halophiles et archées jusqu'à ~0.61

Entre 0.605-1.0, champignons xérophiles tels que Xeromyces bisporus jusqu'à 0.605

Saumures profondes, lacs de soude, étangs d'évaporation, sols secs et roches, aliments à forte teneur en solutés

Sujet sous faible oxygène

Toute bactérie anaérobie ou archée comme les méthanogènes (oxygène inférieur à la limite de détection)

Certains champignons (chytrides), loricifera?, Haute tolérance à une faible teneur en O2 également chez certaines tortues et la carpe crucienne (temporairement anaérobie)

Sédiments anoxiques marins ou lacustres, organes intestinaux, premiers environnements terrestres

Pression

0.7 kPa à 1680 MPa, de nombreuses bactéries jusqu'à 0.7 kPa, souches de Shewanella oneidensis et Escherichia coli à 1680 MPa jusqu'à 30 hrs, bactéries piézophiles et barophiles

0.7 kPa à 108 MPa, lichen Pleopsidium chlorophanum jusqu'à 0.7 kPa, grande diversité d'invertébrés et de poissons dans les tranchées océaniques

Tranchées océaniques profondes telles que la fosse des Mariannes de 11100 m de profondeur, conditions de surface martiennes (basées sur des expériences en laboratoire)

Rayonnement

Au moins 10000 à 11000 grays chez Deinococcus radiodurans

Au moins 1000 grays chez la blatte Blatella germanica

Aucune source naturelle de rayonnement sur Terre à des niveaux tolérés par D. radiodurans

Chimie extrême

Cd 2–5 mM, bactéries et archées; Ni 2.5 mM, Co 20 mM, Zn 12 mM, Cd 2.5 mM, Ralstonia eutrophus

Les algues, par exemple, Euglena et Chlorella peuvent se développer avec Cd, Zn et Co à des concentrations mM

Fluides et sulfures d'évents hydrothermaux sous-marins; certains lacs riches en métaux

Données extraites de D.Schulze-Makuch et al. (2020), D.Schulze-Makuch et L.N. Irwin (2018), A.C. Schuerger et W.L. Nicholson (2016), A.Stevenson et al. (2015), J.-P.de Vera et al. (2013) et A.Sharma et al. (2002).

Utiliser l'histoire de la Terre comme un guide sur la façon dont les variations des propriétés planétaires affectent l'habitabilité et la vie donnera par inadvertance à nos analyses un fort biais centré sur la Terre. Malheureusement, nous n'avons d'informations pertinentes que pour notre planète et la vie telle que nous la connaissons, et notre défi sera justement de distinguer les modèles observés qui ne sont valables que pour la vie sur notre planète de ceux qui sont valables pour la vie en général.

Il y a un défi supplémentaire lors de l'évaluation de la superhabitabilité car, sur la base de notre compréhension et de notre définition, il se réfère à la fois à la biomasse et à la biodiversité. Ces deux paramètres seront affectés différemment par les propriétés planétaires. En effet, pour obtenir la plus grande biomasse possible, les propriétés planétaires doivent être ajustées à un certain optimum, que nous tenterons d'estimer sur la base de l'histoire de la Terre. Pour une biodiversité la plus élevée possible, cependant, les variations de ces propriétés sont critiques car ces variations conduiront la sélection naturelle à proposer de meilleures adaptations organismiques et des innovations biologiques étonnantes, qui ont abouti, du moins dans le cas de la Terre, à une complexité croissante des écosystèmes et une biosphère très vaste. Cela inclut les animaux que nous considérons intelligents. Cependant, toutes les planètes superhabitables ne peuvent pas produire une vie intelligente parce que ces variations auraient pu être soit trop petites pour que la vie évolue vers une complexité plus élevée soit trop grandes pour que la vie puisse se maintenir et finisse par disparaître.

Bien qu'il soit difficile de fournir une mesure exacte du degré d'habitabilité pour des planètes individuelles (R.Barnes et al., 2015; J.L. Bean et al., 2015; R.Heller, 2020 et en PDF), nous connaissons au moins certains paramètres qui sont essentiels à l'habitabilité. Par exemple, une planète avec une atmosphère est en général plus habitable qu'une autre qui n'en a pas, car toute eau présente en surface ne serait pas stable sous forme liquide et finirait par s'échapper dans l'espace. On peut trouver un exemple très évident dans notre voisinage interplanétaire immédiat : la Terre et la Lune sont des corps planétaires situés dans la zone habitable (ZH) du Soleil, mais la Lune dépourvue d'atmosphère n'abrite aucune vie et son sol est stérile.

Un système extrasolaire abritant une planète superhabitable et deux gazeuses se profilant devant un nuage moléculaire dense de la Voie Lactée contenant des globules de Bok. Malgré les apparences, dans ce cas ci à part l'activité stellaire mais qui est normale, il n'y a pas de rayonnements cosmiques létaux dans un rayon de 1000 années-lumière, sauf bien sûr si l'une des étoiles explose en supernova. Mais en théorie (en pratique il y a peu de chances), cela peut aussi arriver dans la banlieue du Soleil. Document T.Lombry.

Les simulations numériques 1D des évasions atmosphériques hydrodynamiques montrent que les planètes ou les lunes de la ZH ayant une gravité de surface d'au moins 1.5 m/s2 peuvent conserver une atmosphère substantielle pendant des milliards d'années (C.W. Arnscheidt et al., 2019). A titre de comparaison, la gravité à la surface de la Terre au niveau de la mer est de 1 g soit environ 9.81 m/s2, alors que la gravité à la surface de la Lune est d'environ 1.62 m/s2, ce qui la met dans un régime de transition. Il se pourrait que des conditions d'impact légèrement différentes de celles qui ont conduit à la formation supposée de la Lune (R.M. Canup et E.Asphaug, 2001) auraient abouti à un satellite naturel plus massif autour de la Terre, qui elle-même aurait pu devenir marginalement habitable. On y reviendra.

Toutes ces réflexions n'excluent cependant pas la présence d'habitats souterrains (ou sous-marins selon le cas) qui pourraient exister sur Mars et des lunes glacées telles qu'Europe, Encélade ou Titan, mais il est peu probable que ceux-ci soient plus riches en biomasse ou en biodiversité qu'une planète qui permet également la vie sur des surfaces émergées solides (R.Greenberg, 2010).

Il est difficile d'évaluer l'habitabilité dans un contexte astrobiologique, mais plusieurs approches ont été proposées. Celles-ci varient en fonction de la nature de la vie et de l'orientation des paramètres évalués. Par exemple, Hoehler (2007) et Barnes et al. (2015) ont considéré l'énergie comme le principal critère de la présence de la vie, alors que Heller et al. (2014) et Méndez (2015) ont proposé une biosphère ressemblant à celle de la Terre. Schulze-Makuch et Irwin (2006) et Irwin et al. (2014) ont également inclus des organismes putatifs exploitant une biochimie alternative et des besoins en solvants inhabituels. Bounama et al. (2007) et Irwin et al. (2014) ont considéré la vie complexe plutôt que la seule vie microbienne.

Plusieurs paramètres ont été proposés pour évaluer l'habitabilité, le plus ancien étant l'indice de qualité de l'habitat (HSI), largement utilisé depuis 1982 pour évaluer la valeur biologique d'un habitat (R.J. Stuber et al., 1982; M.Soniat et M.S. Brody, 1988). Un plus récent est l'indice d'habitabilité planétaire (PHI), qui est basé sur des paramètres considérés comme des exigences essentielles pour toute forme de vie, comme la présence d'un substrat stable, l'énergie disponible, une chimie appropriée et un solvant liquide sur la planète concernée (D.Schulze-Makuch et al., 2011). Le PHI pour la Terre primitive lorsque la vie émergea a été fixé arbitrairement à 1.0, de sorte que toute planète superhabitable aura un PHI > 1.0.

Un autre critère est l'indice de complexité biologique (BCI, L.N. Irwin et al., 2014) qui évalue la probabilité qu'une planète ou une lune abrite une vie macroscopique complexe. Outre les paramètres pertinents pour le PHI, le BCI considère également des paramètres qui sont considérés comme critiques pour l'évolution à un degré plus élevé de complexité biologique tels que les propriétés thermiques et géophysiques ainsi que les caractéristiques d'âge d'un corps planétaire présumé favoriser l'évolution d'une vie complexe. Cependant, bien qu'il soit tentant d'utiliser des métriques pour hiérarchiser les planètes dans le cadre des investigations astrobiologiques de milliers de candidats, il y a aussi des dangers de simplifier excessivement les modèles comme le soulignent Schulze-Makuch et Guinan (2016) et Tasker et al. (2017 et en PDF).

Deuxième partie

Qu'est-ce qui rend une planète superhabitable?

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