Il y a trois milliards d'années, La Terre était un endroit très différent. Le soleil qui brillait sur ses océans et ses continents n'était pas aussi brillant qu'aujourd'hui, et plutôt que l'atmosphère riche en oxygène dont les humains ont besoin pour survivre, le méthane a joué un rôle beaucoup plus important dans la couche de gaz qui recouvrait notre jeune planète. Malgré leurs différences, cette Terre primitive et notre Terre actuelle ont quelque chose d'important en commun :elles pourraient toutes deux soutenir la vie.

Pendant une grande partie de son existence, La Terre a été habitée. Mais si les chercheurs analysaient à distance l'atmosphère de cette jeune Terre, ils ont peut-être manqué la preuve pour la vie.

"La Terre a été beaucoup de choses différentes, " dit Timothée Lyons, professeur au Département des sciences de la Terre et des planètes de l'Université de Californie, Bord de rivière. "C'est une histoire remarquable que notre planète ait maintenu l'habitabilité pendant si longtemps."

Lyons dirige l'équipe "Terres alternatives" de l'Institut d'astrobiologie de la NASA, dans lequel les chercheurs caractérisent la Terre à différentes étapes de ses 4,5 milliards d'années d'existence.

"Nous examinons le passé de la Terre pour affiner notre capacité à rechercher des biosignatures [les empreintes chimiques de la vie] au-delà de notre planète et du système solaire, " dit-il. " Ce sont les planètes extrasolaires qui nous intéressent le plus. "

Actuellement, il y en a plus de 4, 000 exoplanètes connues et des milliers d'autres en attente de confirmation. Les scientifiques développent des méthodes à distance pour voir si ces planètes sont potentiellement habitables et peut-être même habitées. Les signatures de toute vie lointaine se trouveront très probablement dans les gaz appartenant à l'atmosphère d'une exoplanète.

La Terre changeante

Alors que la Terre est le seul endroit de l'Univers connu pour abriter la vie, il y a beaucoup d'autres précédents, des versions alternatives de notre planète natale, comme il a changé au fil du temps, qui a également permis à la vie de survivre et de prospérer.

« Depuis plus de quatre milliards d'années, La Terre a eu des océans, et nous avons eu la vie pendant la majeure partie de ce temps, pourtant la Terre a changé si profondément au cours de son histoire, " dit Lyon.

Grâce au programme de recherche Terres alternatives, l'équipe est capable de "prendre cette connaissance rassemblée des différents états de notre planète habitable et habitée et d'étendre cette compréhension plus haut, littéralement, à l'atmosphère d'une planète lointaine".

En combinant les données de la géologie, chimie, et la biologie des continents terrestres, océans, et des atmosphères de différentes époques, l'équipe Alternative Earths modélise à quoi auraient ressemblé les atmosphères de ces Terres primitives, en partie, sur les relations avec la vie dans les océans sous-jacents. Cette capacité à modéliser les atmosphères anciennes et à étendre les leçons apprises aux atmosphères autour de planètes lointaines est vitale pour la chasse aux planètes potentiellement habitables au-delà de notre système solaire.

"La Terre nous a déjà appris de nombreuses leçons différentes, " dit Lyons. " [Notre recherche] ne cherche pas une autre Terre en soi. Il s'agit davantage de rechercher les différentes parties de ce que c'est que d'être une planète qui peut soutenir la vie. Une fois que vous savez ce que ces processus font sur une planète comme la Terre, vous pouvez les assembler dans d'innombrables autres scénarios planétaires qui peuvent ou non être capables de faire la même chose. »

Spécifiquement, l'équipe étudie trois anciennes Terres différentes en collectant des données sur les roches pour créer une image de la géologie, chimie, et la biologie de la planète à cette époque. Les chapitres d'intérêt particulier s'étendent de 3,2 à 2,4 milliards d'années, lorsque les premières formes de vie ont commencé à libérer de l'oxygène dans l'atmosphère via la photosynthèse ; Il y a 2,4 à 2,0 milliards d'années, lorsque le « grand événement d'oxydation » s'est produit et que l'oxygène a inondé l'atmosphère et les océans de la Terre ; et il y a 2,0 milliards à 500 millions d'années, quand la vie est devenue de plus en plus complexe, préparer le terrain pour les organismes qui évolueraient pour devenir les créatures qui habitent la Terre aujourd'hui.

"Comprendre l'évolution de notre propre planète, comprenant des stades de stabilité remarquable ainsi que des épisodes de troubles, est un premier pas essentiel vers la compréhension de la diversité des planètes habitables et de la vie que nous pouvons rencontrer dans l'Univers, ", déclare Stephanie Olson, membre de l'équipe de l'Université de Chicago. Olson est spécialisé dans l'interaction entre l'océan et l'atmosphère de la Terre primitive.

Plans d'habitabilité

Les chercheurs peuvent également modifier leurs modèles planétaires pour créer un nombre infini de plans d'exoplanètes potentiellement habitables. Par exemple, ils peuvent utiliser des modèles qui peuvent accélérer la rotation de la planète, régler l'inclinaison de son axe, mettre tous les continents dans un hémisphère (ou les supprimer complètement), ou permettre à un côté de la planète de faire face à son étoile en continu. Les continents font partie intégrante de l'habitabilité des océans. Par l'altération des surfaces terrestres, les nutriments pénètrent dans les océans pour nourrir la vie en leur sein, et les positions et les altitudes de ces masses continentales modifient la façon dont ces nutriments se déplacent vers et à travers les océans.

"Ces facteurs influencent également la communication entre l'océan et l'atmosphère, et donc la détectabilité de la vie dans l'océan, " dit Olson. " Comprendre comment les paramètres planétaires influencent l'activité biologique et la connectivité océan-atmosphère peut aider à identifier les cibles les plus prometteuses pour la détection de la vie des exoplanètes qui seront les moins vulnérables aux faux négatifs de la biosignature. "

La possibilité de faux négatifs – alors qu'il y a réellement de la vie sur une exoplanète mais que les signatures de cette vie échappent à la détection – fascine l'équipe d'Alternative Earths.

Dans un article de 2017 dirigé par Chris Reinhard de Georgia Tech, l'équipe d'Alternative Earths a signalé le danger de faux négatifs dans la chasse aux planètes habitables. La présence à la fois de méthane et d'oxygène dans une atmosphère a été considérée comme un étalon-or dans la recherche d'une vie lointaine. Ces deux gaz ne doivent pas coexister en quantités appréciables, car ils réagissent rapidement les uns avec les autres, mais les organismes vivants peuvent constamment les reconstituer dans l'atmosphère, permettant à ce déséquilibre de perdurer.

Cependant, si les chercheurs regardaient la Terre primitive au-dessus de la plupart, sinon tout, de son histoire, ils n'ont peut-être pas été en mesure de détecter à la fois le méthane et l'oxygène dans l'atmosphère ancienne, bien que la vie soit présente pendant une grande partie de ce temps.

"[Détecter] le méthane atmosphérique aurait été problématique pendant la majeure partie des ~2,5 milliards d'années de l'histoire de la Terre, " Reinhard et ses collègues écrivent. Pour les mondes rocheux avec des océans, comme la Terre, ces gaz pourraient être recyclés dans les océans, plutôt que d'être détectable dans l'atmosphère. Cette possibilité implique que « les planètes les plus propices au développement et au maintien d'une biosphère omniprésente, comme ceux dont les continents s'altèrent et les vastes océans, sera souvent difficile à caractériser à l'aide de biosignatures atmosphériques conventionnelles, " ils écrivent.

En outre, même si l'oxygène et le méthane sont présents, ce ne sont pas nécessairement des produits de la vie.

L'oxygène peut être le résultat de la photosynthèse, et les microbes produisent du méthane, mais ils peuvent aussi se former par des processus photochimiques et géologiques. En réalité, l'Institut d'astrobiologie de la NASA a une équipe qui étudie la production de méthane via des réactions géologiques plutôt que biologiques.

"Les produits de ces réactions pourraient soutenir la vie sur un monde océanique, mais les gaz eux-mêmes n'ont peut-être rien à voir avec la vie, ", dit Lyons. "Vous ne pouvez pas évaluer ce que signifient les gaz sans un contexte rigoureux."

« Nous considérons généralement l'habitabilité comme binaire :une planète peut soit supporter la vie, soit elle ne peut pas, mais il existe probablement un spectre d'habitabilité, " ajoute Olson.

Un proxy pour l'oxygène

Les chercheurs de l'équipe Alternative Earths combinent ce qu'ils savent des différents états de notre planète et utilisent leurs données et les simulations informatiques associées pour générer des exemples de quelles empreintes chimiques, ou des spectres synthétiques, les scientifiques devraient chercher autour des exoplanètes.

Lyons souligne que l'ozone et la saisonnalité sont particulièrement importants dans la recherche de la vie sur d'autres planètes.

"Nous sommes de grands fans de l'ozone [O 3 ] car il peut être plus facilement détecté par des techniques spectroscopiques que l'oxygène [moléculaire] [O 2 ] ", dit-il. " Nous voulons rechercher l'ozone et sa variabilité temporelle comme un proxy pour O 2 et sa saisonnalité."

La découverte de faux négatifs possibles à l'aide des méthodes traditionnelles de détection de la vie a poussé l'équipe à penser à de nouveaux signes de vie peut-être encore plus robustes. "C'est la partie la plus amusante, " dit Lyon.

Tandis que O 2 peut avoir été difficile à détecter à distance depuis la jeune Terre, ozone, qui se forme à partir de O 2 , peut-être pas. Ce n'est qu'un exemple des nombreuses façons dont l'histoire de la Terre éclaire notre choix de cibles exoplanétaires possibles pour la détection de la vie.

Cependant, si les astrobiologistes veulent pouvoir rechercher l'ozone sur les exoplanètes, ils doivent faire pression pour que ces expériences soient incluses dans les futures missions.

"Nous commençons seulement à obtenir des données d'autres planètes, " dit Lyons. " Pour acquérir les bonnes données de ces planètes à l'avenir, nous devons commencer à planifier maintenant."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du magazine Astrobiology de la NASA. Explorez la Terre et au-delà sur www.astrobio.net .