Image ©Pixabay Dans la quête de la vie dans l’Univers, il est logique de regarder des mondes similaires à notre planète Terre.
La Terre et la galaxie
Nous habitons une planète rocheuse dont l'atmosphère est fine, et qui gravite autour de notre étoile, en tournant rapidement sur son axe, avec de l'eau liquide stable sur sa surface, depuis des milliards d'années.
Nous avons une bonne température et une bonne pression à la surface de l'eau pour les continents et les océans, et les bonnes matières premières pour que la vie puisse se développer.
Nous ne savons peut-être pas encore à quel point la vie est omniprésente ou rare dans notre galaxie et notre Univers. Les questions concernant l'origine de la vie ou sa fréquence évoluant vers une civilisation complexe, intelligente, voire technologiquement avancée, restent sans réponse, car nous manquons d'informations en la matière. Mais les données exoplanètes ? Nous en connaissons beaucoup. C'est pourquoi c'est un tel casse-tête qui fait que les astronomes ne peuvent s'entendre sur le nombre de planètes semblables à la Terre que chaque étoile semblable au Soleil devrait posséder.
Les différentes étoiles
L'histoire commence chaque fois que nous avons la formation d'une nouvelle étoile. De nouvelles étoiles se forment pratiquement toujours lorsqu'un nuage de gaz s'effondre sous l'effet de sa propre gravité, travaillant à accumuler de la masse par croissance gravitationnelle avant que la pression de rayonnement des étoiles nouvellement formées, tant à l'intérieur de cette masse particulière qu'ailleurs dans la zone formée, souffle les substances requises.
Un faible pourcentage (environ 1 %) de ces étoiles seront chaudes, bleues, massives et de courte durée : des étoiles de classe O, de classe B ou de classe A. La durée de vie de ces étoiles ne représente qu'un infime pourcentage de la durée de vie de notre Soleil, et elles ne vivent pas assez longtemps pour soutenir l'évolution de la vie telle que nous la connaissons sur Terre. Pendant ce temps, la plupart des étoiles (environ 75-80%) sont des naines rouges : Des étoiles de classe M. Ces étoiles ont des planètes de la taille de la Terre, dont beaucoup se trouvent dans les zones habitables de leur étoile, mais leurs propriétés sont très différentes de celles de la Terre.
Une vie ailleurs est elle possible
Bien qu'il existe de nombreuses possibilités intéressantes concernant la vie sur les planètes autour des étoiles de classe M, elles font face à des défis qui sont extrêmement différents des défis des mondes semblables à la Terre:
- Les planètes de la taille de la Terre autour des étoiles de classe M seront bloquées à marée haute, où le même profil fait toujours face à l'étoile, au lieu de tourner sur leur axe à une période différente de sa révolution.
- Les étoiles de classe M émettent très fréquemment des éruptions à haute énergie, ce qui présente le danger d'éliminer toute atmosphère mince sur des échelles de temps cosmiques courtes.
- Les étoiles de classe M émettent très peu de lumière ultraviolette et bleue, ce qui rend la photosynthèse impossible comme nous le savons.
- Et les étoiles de classe M émettent de grandes quantités de rayons X, peut-être assez pour stériliser la surface de toute planète terrestre en orbite autour d'elle.
La vie peut exister dans de tels mondes, mais c'est une idée controversée.
D'un autre côté, il est tentant d'aller à la recherche de la vie au-delà de notre système solaire : chercher des planètes de la taille de la Terre à des distances semblables à celles de la Terre avec des conditions semblables à celles de la Terre autour d'étoiles semblables au Soleil (classe F, classe G, ou classe K).
C'est une excellente question à poser, car nous avons beaucoup de données à ce sujet. Nous savons quelle fraction d'étoiles appartient à ces classes semblables à celles du Soleil (environ 20 % environ), et nous avons observé des milliers et des milliers d'étoiles pendant environ trois ans avec le satellite Kepler de la NASA pendant sa mission principale.
Le plus drôle, c'est que nous avons eu les données de Kepler pendant la majeure partie de la dernière décennie, et en 2019, les estimations vont d'un minimum de 0,013 planète terrestre par étoile semblable au Soleil à un maximum de 1,24 : une différence d'un facteur 100.
Etoiles et exoplanètes
C'est une rareté extrême en science. Normalement, si les scientifiques s'entendent sur les lois physiques qui régissent un système, s'entendent sur les conditions qui décrivent ou catégorisent un système et utilisent les mêmes données, ils vont tous obtenir le même résultat. Tout le monde utilise certainement la suite complète des données exoplanètes disponibles (principalement Kepler), il doit donc y avoir un problème avec certaines des hypothèses qui entrent dans le calcul de la fréquence d'un monde semblable à la Terre autour d'une étoile semblable au Soleil.
La première chose qu'il faut souligner, cependant, c'est qu'il n'y a pas de divergence de points de vue sur les données Kepler elles-mêmes ! Lorsqu'une planète est fortuitement alignée avec son étoile mère et notre ligne de visée, elle traverse la face de l'étoile une fois par orbite, bloquant une fraction de la lumière de l'étoile pendant une courte période. Plus nous accumulons d'événements de passage, plus le signal devient fort. Grâce à la mission de Kepler, nous avons découvert des milliers d'étoiles entourées d'exoplanètes.
Kepler et l'analyse des exoplanètes
Ce que nous pouvons calculer sans incertitudes notables, c'est la probabilité qu'une planète d'un rayon donné gravite autour d'une étoile d'un type particulier à une distance donnée. Kepler nous a permis d'établir des statistiques démographiques sur des exoplanètes de types très variés, ce qui nous permet de déduire une probabilité d'avoir une planète de la taille de la Terre en orbite autour d'une étoile semblable au Soleil sur une gamme de distances orbitales.
Il y a certaines incertitudes qui surgissent lorsque nous examinons ce seul problème, mais elles sont relativement petites. La mission Kepler, en raison de ses spécifications de conception (la durée relativement courte d'une mission primaire de trois ans et une sensibilité limitée à des baisses de flux relativement faibles) signifiait que les planètes les plus faciles à trouver étaient des planètes relativement grandes qui se déplacent à proximité des étoiles relativement petites. Des mondes de la taille de la Terre à des distances semblables à celles de la Terre autour d'étoiles semblables au Soleil étaient légèrement au-delà des capacités de Kepler.
Des incertitudes qui seront possiblement levée avec les recherches
Il y a donc des incertitudes qui doivent découler du fait que nous faisons des déductions sur les statistiques démographiques exoplanétaires. Il s'agit là d'une source de doute légitime, et nous pouvons nous attendre à ce qu'il s'amenuise à mesure que de plus puissants télescopes et missions de recherche de planètes seront mis en service au cours de la prochaine décennie. Mais ce n'est pas la principale raison de la grande différence dans les estimations des astronomes quant au nombre de mondes semblables à la Terre autour des étoiles semblables au Soleil.
Une deuxième source d'incertitude (beaucoup plus grande) provient de la grande question " où est la zone habitable ? Nous définissons typiquement ceci comme la distance à laquelle une planète de la taille de la Terre avec une atmosphère semblable à celle de la Terre pourrait avoir à partir de son étoile mère et avoir encore de l'eau liquide sur sa surface. La réponse à cette question est beaucoup plus difficile à obtenir
Pourrait on vivre sur une autre planète ?
Vous pourriez être tenté de dire "Vénus est trop chaude, Mars est trop froide et la Terre a tout à fait raison" et de procéder selon ces hypothèses. Mais il y a de nombreuses façons dont nous aurions pu modifier l'atmosphère de Vénus pour que la planète qui l'habite soit habitable, tout comme la Terre, depuis plus de 4 milliards d'années.
De même, si nous remplacions Mars par un monde plus massif avec une atmosphère plus épaisse, il pourrait rester habitable, l'eau liquide persistant à sa surface jusqu'à nos jours.
L'habitabilité d'une planète
Ce que nous semblons apprendre, c'est que définir la zone habitable d'une planète de la taille de la Terre n'est pas aussi simple que de dire "entre cette distance intérieure et cette distance extérieure", mais plutôt d'être co-dépendant de facteurs tels que la masse de la planète, le contenu et la densité de l'atmosphère, les facteurs d'évolution stellaire qui relient les histoires passées et futures d'une étoile à l'habitabilité de la planète qui la gravite.
Ne pas savoir exactement où se trouve la zone habitable pourrait nous amener à surestimer grossièrement le nombre de mondes semblables à la Terre en étant trop peu directifs dans nos hypothèses, ou cela pourrait nous pousser à exclure des mondes potentiellement semblables à la Terre si nous sommes trop prudents. Comme pour la plupart des choses, il est probable que les hypothèses trop libres nous aideront à résumer les cas extrêmes de résultats improbables qui se produisent occasionnellement, tandis que les hypothèses conservatrices pourraient saisir la pluralité des mondes qui sont les plus propices à des résultats semblables à ceux de la Terre.
Cependant, la plus grande source d'incertitude pourrait provenir de l'incapacité d'estimer adéquatement quels mondes sont semblables à la Terre(et potentiellement habitables) d'après leur rayon seulement.
Les recherches des astronomes
Les astronomes ne s'entendent ni sur la limite inférieure de la taille d'un monde semblable à la Terre, ni sur la limite supérieure.
Si un monde est trop petit, on pense qu'il rayonnera rapidement sa chaleur interne, que son noyau cessera toute activité magnétique, que le vent solaire dépouillera l'atmosphère et que la pression atmosphérique passera sous un seuil critique et c'est la fin des possibilités de vie. C'est ce qui est arrivé à Mars, et de nombreux scientifiques pensent que c'est le destin de tous les mondes en dessous d'environ 70% du rayon de la Terre.
Mais si un monde est trop grand (même un peu plus grand que la Terre), son atmosphère ne restera pas mince et respirable, mais deviendra épaisse et écrasante. Il y a une quantité critique de masse qu'une planète peut avoir pendant sa formation avant qu'une transition cruciale ne se produise : soit la planète n'aura pas assez de gravité pour conserver son hydrogène primordial et ses gaz hélium, soit elle dépassera ce seuil et en aura assez.
En dessous de ce seuil, vous pouvez encore avoir de l'eau liquide à la surface de votre planète; elle peut ressembler à de l'eau terrestre. Mais au-delà de ce seuil, et vous commencez à avoir une atmosphère si épaisse que la pression atmosphérique devient écrasante : plusieurs milliers de fois ce que nous vivons ici sur Terre.
L'atmosphère dans le système solaire
Cette situation a été amplifiée par un terme que les astronomes utilisent depuis plus d'une décennie, mais qui doit être remplacé par super-Terre. Il y a cette idée qu'une planète pourrait être beaucoup plus grande et plus massive que la Terre, mais qu'elle pourrait quand même être rocheuse avec une atmosphère mince. Dans notre système solaire, il n'y a pas de mondes entre les tailles de Vénus/Terre et Neptune/Uranus, et nous n'avons donc pas d'expérience de vie pour savoir où, dans cette gamme, se situe la ligne moyenne entre les mondes rocheux et riches en gaz. Mais grâce aux données exoplanétaires dont nous disposons, cette réponse est déjà connue.
S'il y a plus de 2 masses terrestres, ce qui correspond à plus de 120-125% de la taille radiale de la Terre, ce n'est plus rocheux, mais c'est une redoutable enveloppe d'hydrogène et d'hélium. La même que Neptune et Uranus possèdent; le même genre que la zone habitable récemment annoncée exoplanète avec de l'eau dessus.
Des étoiles similaires au soleil dans la voie lactée
Nous savons qu'il y a entre 200 et 400 milliards d'étoiles dans la Voie lactée. Environ 20 % de ces étoiles ressemblent à des étoiles Soleil, pour environ 40 à 80 milliards d'étoiles ressemblant à des étoiles Soleil dans notre galaxie. Il y a très probablement des milliards de mondes de la taille de la Terre qui gravitent autour de ces étoiles et qui ont le potentiel d'avoir de l'eau liquide à leur surface et qui ressemblent à la Terre, mais on ignore encore si c'est 1 ou 2 milliards ou 50 ou 100 milliards. Les futures missions de recherche et d'exploration de planètes auront besoin de meilleures réponses qu'aujourd'hui, et c'est une raison de plus pour continuer à chercher avec chaque outil de notre arsenal.
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