La recherche de la vie au-delà de la Terre commence dans les zones habitables, les régions autour des étoiles où les conditions pourraient potentiellement permettre à l'eau liquide - qui est essentielle à la vie telle que nous la connaissons - de s'accumuler à la surface d'une planète. De nouvelles recherches de la NASA suggèrent que certaines de ces zones pourraient ne pas être en mesure de soutenir la vie en raison des éruptions stellaires fréquentes – qui crachent d'énormes quantités de matière stellaire et de rayonnement dans l'espace – à partir de jeunes étoiles naines rouges.

Maintenant, une équipe interdisciplinaire de scientifiques de la NASA souhaite étendre la définition des zones habitables, en tenant compte de l'impact de l'activité stellaire, qui peut menacer l'atmosphère d'une exoplanète avec une perte d'oxygène. Cette recherche a été publiée dans le Lettres de revues astrophysiques le 6 février 2017.

« Si nous voulons trouver une exoplanète capable de développer et de maintenir la vie, nous devons découvrir quelles stars font les meilleurs parents, " dit Vladimir Airapetian, auteur principal de l'article et scientifique solaire au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "Nous nous rapprochons de la compréhension du type d'étoiles parentales dont nous avons besoin."

Pour déterminer la zone habitable d'une étoile, les scientifiques ont traditionnellement considéré la quantité de chaleur et de lumière émise par l'étoile. Les étoiles plus massives que notre soleil produisent plus de chaleur et de lumière, donc la zone habitable doit être plus éloignée. Plus petite, les étoiles plus froides donnent des zones habitables rapprochées.

Mais avec la chaleur et la lumière visible, les étoiles émettent des rayons X et des rayons ultraviolets, et produisent des éruptions stellaires telles que des éruptions cutanées et des éjections de masse coronale - collectivement appelées météo spatiale. Un effet possible de ce rayonnement est l'érosion atmosphérique, dans lequel des particules à haute énergie entraînent des molécules atmosphériques - telles que l'hydrogène et l'oxygène, les deux ingrédients pour l'eau - dans l'espace. Le nouveau modèle d'Airapetian et de son équipe pour les zones habitables prend désormais en compte cet effet.

La recherche de planètes habitables se concentre souvent sur les naines rouges, car ce sont les plus cool, les étoiles les plus petites et les plus nombreuses de l'univers - et donc relativement susceptibles de détection de petites planètes.

"Par contre, les naines rouges sont également sujettes à des éruptions stellaires plus fréquentes et plus puissantes que le soleil, " dit Guillaume Danchi, un astronome Goddard et co-auteur de l'article. "Pour évaluer l'habitabilité des planètes autour de ces étoiles, nous devons comprendre comment ces divers effets s'équilibrent."

Un autre facteur d'habitabilité important est l'âge d'une étoile, disent les scientifiques, sur la base des observations qu'ils ont recueillies lors de la mission Kepler de la NASA. Tous les jours, les jeunes étoiles produisent des superflares, de puissantes éruptions et éruptions au moins 10 fois plus puissantes que celles observées sur le soleil. Sur leur plus vieux, homologues mûrs ressemblant à notre soleil d'âge moyen aujourd'hui, de telles super éruptions ne sont observées qu'une fois tous les 100 ans.

"Quand nous regardons les jeunes naines rouges dans notre galaxie, on voit qu'ils sont beaucoup moins lumineux que notre soleil aujourd'hui, " dit Airapetian. " Selon la définition classique, la zone habitable autour des naines rouges doit être 10 à 20 fois plus proche que la Terre ne l'est du soleil. Nous savons maintenant que ces étoiles naines rouges génèrent beaucoup d'émissions de rayons X et d'ultraviolets extrêmes dans les zones habitables des exoplanètes à travers de fréquentes éruptions et tempêtes stellaires."

Les superflares provoquent l'érosion atmosphérique lorsque des rayons X à haute énergie et des émissions ultraviolettes extrêmes brisent d'abord les molécules en atomes, puis ionisent les gaz atmosphériques. Lors de l'ionisation, le rayonnement frappe les atomes et fait tomber les électrons. Les électrons sont beaucoup plus légers que les ions nouvellement formés, ils échappent donc beaucoup plus facilement à l'attraction de la gravité et s'élancent dans l'espace.

Les contraires s'attirent, de sorte que de plus en plus d'électrons chargés négativement sont générés, ils créent une puissante séparation de charge qui attire les ions chargés positivement hors de l'atmosphère dans un processus appelé échappement ionique.

"Nous savons que l'échappement des ions oxygène se produit sur Terre à plus petite échelle puisque le soleil ne présente qu'une fraction de l'activité des étoiles plus jeunes, " a déclaré Alex Glocer, un astrophysicien Goddard et co-auteur de l'article. "Pour voir comment cet effet évolue lorsque vous obtenez plus d'apport d'énergie comme vous le verriez avec de jeunes étoiles, nous avons développé un modèle."

Le modèle estime la fuite d'oxygène sur les planètes autour des naines rouges, en supposant qu'ils ne compensent pas par l'activité volcanique ou le bombardement de comètes. Divers modèles d'érosion atmosphérique antérieurs ont indiqué que l'hydrogène est le plus vulnérable à la fuite d'ions. En tant qu'élément le plus léger, l'hydrogène s'échappe facilement dans l'espace, laissant vraisemblablement derrière lui une atmosphère riche en éléments plus lourds tels que l'oxygène et l'azote.

Mais quand les scientifiques ont pris en compte les superflares, leur nouveau modèle indique que les violentes tempêtes de jeunes naines rouges génèrent suffisamment de rayonnement à haute énergie pour permettre l'échappement même de l'oxygène et de l'azote - des éléments constitutifs des molécules essentielles de la vie.

"Plus il y a d'énergie de rayons X et d'ultraviolets extrêmes, plus les électrons sont générés et plus l'effet d'échappement des ions devient fort, " dit Glocer. " Cet effet est très sensible à la quantité d'énergie émise par l'étoile, ce qui signifie qu'il doit jouer un rôle important dans la détermination de ce qui est et n'est pas une planète habitable."

Considérant l'échappement d'oxygène seul, le modèle estime qu'une jeune naine rouge pourrait rendre une exoplanète proche inhabitable d'ici quelques dizaines à cent millions d'années. La perte d'hydrogène et d'oxygène atmosphérique réduirait et éliminerait l'approvisionnement en eau de la planète avant que la vie n'ait une chance de se développer.

"Les résultats de ce travail pourraient avoir des implications profondes pour la chimie atmosphérique de ces mondes, " a déclaré Shawn Domagal-Goldman, un scientifique spatial Goddard non impliqué dans l'étude. "The team's conclusions will impact our ongoing studies of missions that would search for signs of life in the chemical composition of those atmospheres."

Modeling the oxygen loss rate is the first step in the team's efforts to expand the classical definition of habitability into what they call space weather-affected habitable zones. When exoplanets orbit a mature star with a mild space weather environment, the classical definition is sufficient. When the host star exhibits X-ray and extreme ultraviolet levels greater than seven to 10 times the average emissions from our sun, then the new definition applies. The team's future work will include modeling nitrogen escape, which may be comparable to oxygen escape since nitrogen is just slightly lighter than oxygen.

The new habitability model has implications for the recently discovered planet orbiting the red dwarf Proxima Centauri, our nearest stellar neighbor. Airapetian and his team applied their model to the roughly Earth-sized planet, dubbed Proxima b, which orbits Proxima Centauri 20 times closer than Earth is to the sun.

Considering the host star's age and the planet's proximity to its host star, the scientists expect that Proxima b is subjected to torrents of X-ray and extreme ultraviolet radiation from superflares occurring roughly every two hours. They estimate oxygen would escape Proxima b's atmosphere in 10 million years. En outre, intense magnetic activity and stellar wind – the continuous flow of charged particles from a star – exacerbate already harsh space weather conditions. The scientists concluded that it's quite unlikely Proxima b is habitable.

"We have pessimistic results for planets around young red dwarfs in this study, but we also have a better understanding of which stars have good prospects for habitability, " Airapetian said. "As we learn more about what we need from a host star, it seems more and more that our sun is just one of those perfect parent stars, to have supported life on Earth."