A la recherche de la vie sur d'autres planètes, la présence d'oxygène dans l'atmosphère d'une planète est un signe potentiel d'activité biologique qui pourrait être détecté par les futurs télescopes. Une nouvelle étude, cependant, décrit plusieurs scénarios dans lesquels une planète rocheuse sans vie autour d'une étoile semblable au soleil pourrait évoluer pour avoir de l'oxygène dans son atmosphère.

Les nouvelles découvertes, publié le 13 avril dans AGU Avances , soulignent le besoin de télescopes de nouvelle génération capables de caractériser les environnements planétaires et de rechercher de multiples preuves de la vie en plus de détecter l'oxygène.

"C'est utile car cela montre qu'il existe des moyens d'obtenir de l'oxygène dans l'atmosphère sans vie, mais il y a d'autres observations que vous pouvez faire pour aider à distinguer ces faux positifs de la vraie affaire, " a déclaré le premier auteur Joshua Krissansen-Totton, un Sagan Fellow au Département d'astronomie et d'astrophysique de l'UC Santa Cruz. "Pour chaque scénario, nous essayons de dire ce que votre télescope devrait être capable de faire pour distinguer cela de l'oxygène biologique."

Dans les décennies à venir, peut-être à la fin des années 2030, les astronomes espèrent disposer d'un télescope capable de prendre des images et des spectres de planètes potentiellement semblables à la Terre autour d'étoiles semblables au soleil. Co-auteur Jonathan Fortney, professeur d'astronomie et d'astrophysique et directeur du Laboratoire des autres mondes de l'UCSC, a déclaré que l'idée serait de cibler des planètes suffisamment similaires à la Terre pour que la vie puisse y avoir émergé et caractériser leurs atmosphères.

« Il y a eu beaucoup de discussions pour savoir si la détection de l'oxygène est « assez » d'un signe de vie, " dit-il. " Ce travail plaide vraiment pour avoir besoin de connaître le contexte de votre détection. Quelles autres molécules se trouvent en plus de l'oxygène, ou introuvable, et qu'est-ce que cela vous dit sur l'évolution de la planète ?"

Cela signifie que les astronomes voudront un télescope sensible à une large gamme de longueurs d'onde afin de détecter différents types de molécules dans l'atmosphère d'une planète.

Les chercheurs ont basé leurs conclusions sur une étude détaillée, modèle informatique de bout en bout de l'évolution des planètes rocheuses, à partir de leurs origines fondues et s'étendant sur des milliards d'années de refroidissement et de cycles géochimiques. En faisant varier l'inventaire initial des éléments volatils dans leurs planètes modèles, les chercheurs ont obtenu un éventail étonnamment large de résultats.

L'oxygène peut commencer à s'accumuler dans l'atmosphère d'une planète lorsque la lumière ultraviolette à haute énergie divise les molécules d'eau dans la haute atmosphère en hydrogène et oxygène. L'hydrogène léger s'échappe préférentiellement dans l'espace, laissant l'oxygène derrière. D'autres processus peuvent éliminer l'oxygène de l'atmosphère. Monoxyde de carbone et hydrogène libérés par le dégazage de la roche en fusion, par exemple, réagira avec l'oxygène, et l'altération de la roche éponge également l'oxygène. Ce ne sont là que quelques-uns des processus que les chercheurs ont intégrés dans leur modèle d'évolution géochimique d'une planète rocheuse.

"Si vous exécutez le modèle pour la Terre, avec ce que nous pensons être l'inventaire initial de volatiles, vous obtenez de manière fiable le même résultat à chaque fois - sans vie, vous n'obtenez pas d'oxygène dans l'atmosphère, ", a déclaré Krissansen-Totton. "Mais nous avons également trouvé plusieurs scénarios où vous pouvez obtenir de l'oxygène sans vie."

Par exemple, une planète qui ressemble à la Terre mais qui commence avec plus d'eau se retrouvera avec des océans très profonds, exercer une pression immense sur la croûte. Cela arrête efficacement l'activité géologique, y compris tous les processus tels que la fonte ou l'altération des roches qui élimineraient l'oxygène de l'atmosphère.

Dans le cas contraire, où la planète commence avec une quantité d'eau relativement faible, la surface du magma de la planète initialement fondue peut geler rapidement alors que l'eau reste dans l'atmosphère. Cette « atmosphère de vapeur » met suffisamment d'eau dans la haute atmosphère pour permettre l'accumulation d'oxygène lorsque l'eau se brise et que l'hydrogène s'échappe.

"La séquence typique est que la surface du magma se solidifie en même temps que l'eau se condense dans les océans à la surface, " dit Krissansen-Totton. " Sur Terre, une fois l'eau condensée en surface, les taux d'évasion étaient faibles. Mais si vous conservez une atmosphère de vapeur après la solidification de la surface en fusion, il y a une fenêtre d'environ un million d'années où l'oxygène peut s'accumuler car il y a de fortes concentrations d'eau dans la haute atmosphère et aucune surface en fusion pour consommer l'oxygène produit par l'échappement d'hydrogène. »

Un troisième scénario qui peut conduire à de l'oxygène dans l'atmosphère implique une planète qui ressemble par ailleurs à la Terre, mais qui démarre avec un rapport plus élevé de dioxyde de carbone par rapport à l'eau. Cela conduit à un effet de serre incontrôlé, la rendant trop chaude pour que l'eau se condense de l'atmosphère à la surface de la planète.

"Dans ce scénario semblable à Vénus, tous les volatiles partent dans l'atmosphère et peu sont laissés dans le manteau pour être dégazés et éponger l'oxygène, ", a déclaré Krissansen-Totton.

Il a noté que les études précédentes se sont concentrées sur les processus atmosphériques, considérant que le modèle utilisé dans cette étude explore l'évolution géochimique et thermique du manteau et de la croûte de la planète, ainsi que les interactions entre la croûte et l'atmosphère.

"Ce n'est pas intensif en calcul, mais il y a beaucoup de pièces mobiles et de processus interconnectés, " il a dit.