Une équipe d'astronomes de l'Université de Chicago et du Grinnell College cherche à changer la façon dont les scientifiques abordent la recherche de planètes semblables à la Terre en orbite autour d'étoiles autres que le soleil. Ils privilégient une approche statistique comparative dans la recherche de planètes habitables et de vie au-delà du système solaire.

« La nature de la preuve ne devrait pas être : « Pouvons-nous pointer du doigt une planète et dire :Oui ou non, c'est la planète hébergeant la vie extraterrestre, " dit Jacob Bean, professeur agrégé d'astronomie et d'astrophysique à UChicago. "C'est un exercice statistique. Que peut-on dire pour un ensemble de planètes sur la fréquence d'existence des milieux habitables, ou la fréquence de l'existence de la vie sur ces planètes ?"

L'approche standard de la recherche d'exoplanètes, ou des planètes en orbite autour d'étoiles lointaines, a impliqué l'étude d'un petit nombre d'objets pour déterminer s'ils contiennent les bons gaz dans les quantités et les rapports appropriés pour indiquer l'existence de la vie. Mais dans un article récent avec les co-auteurs Dorian Abbot et Eliza Kempton dans le Lettres de revues astrophysiques , Bean décrit la nécessité de « penser aux techniques et aux approches de l'astronomie dans ce jeu, pas en tant que planétologues étudiant les exoplanètes ».

"La nature nous a fourni un grand nombre de systèmes planétaires, " dit Kempton, professeur adjoint de physique au Grinnell College dans l'Iowa. "Si nous examinons un grand nombre de planètes avec des mesures moins détaillées, nous pouvons toujours avoir une idée statistique de la prévalence des environnements habitables dans notre galaxie. Cela nous donnerait une base pour l'avenir, enquêtes plus détaillées.

Kempton et Bean témoignent des défis de faire des observations détaillées d'une planète potentiellement semblable à la Terre. Ensemble, ils ont déjà étudié la super-Terre connue sous le nom de GJ 1214b, une exoplanète avec une masse supérieure à celle de la Terre mais inférieure à celle des géantes gazeuses telles que Neptune et Uranus. GJ 1214b s'est avéré assez nuageux, ce qui les empêchait de déterminer la composition de son atmosphère.

"Une grande étude statistique nous permettra de regarder de nombreuses planètes, " a déclaré Kempton. " Si un seul objet s'avère particulièrement difficile à observer, comme GJ 1214b, ce ne sera pas une perte majeure pour le programme d'observation dans son ensemble."

L'observatoire de Kepler change la donne

L'inspiration pour l'article est venue de l'adhésion de Bean à l'équipe de définition scientifique et technologique qui évalue le potentiel d'un nouveau télescope spatial, Le grand sondage UV/optique/infrarouge proposé par la NASA (LUVOIR).

L'une des priorités scientifiques de LUVOIR est la recherche de planètes semblables à la Terre. Au cours d'une réunion d'équipe, Bean et ses collègues ont répertorié toutes les propriétés d'une exoplanète potentiellement habitable qu'ils doivent mesurer et comment ils procéderaient pour obtenir les données. Compte tenu de l'état actuel de la technologie, Bean a conclu qu'il est peu probable que les scientifiques soient en mesure de confirmer qu'une exoplanète individuelle convient à la vie ou si la vie est réellement là.

Néanmoins, les astronomes ont rassemblé une quantité impressionnante de données exoplanétaires de l'observatoire spatial Kepler de la NASA, qui fonctionne depuis 2009.

"Kepler a complètement changé la donne, " dit Bean. " Au lieu de parler de quelques planètes ou de quelques dizaines de planètes, tout d'un coup, nous avons eu quelques milliers de planètes candidates. C'étaient des planètes candidates parce que Kepler ne pouvait pas prouver avec certitude que le signal qu'il voyait était dû aux planètes."

L'approche standard a consisté à effectuer des observations supplémentaires pour chaque candidat afin d'exclure d'éventuels scénarios faussement positifs, ou pour détecter la planète avec une seconde technique.

"C'est très lent. Une planète à la fois, beaucoup d'observations différentes, " a noté Bean. Mais une alternative est de faire des calculs statistiques pour la probabilité de faux positifs parmi ces milliers d'exoplanètes candidates. Cette nouvelle approche a directement conduit à une bonne compréhension de la fréquence des exoplanètes de différentes tailles. Par exemple, les scientifiques peuvent maintenant dire que la fréquence des planètes de type super-Terre est de 15%, plus ou moins 5 pour cent.

Rôle de la spectroscopie

Les études spectroscopiques jouent un rôle clé dans la caractérisation des exoplanètes. Il s'agit de déterminer la composition d'une atmosphère planétaire en mesurant ses spectres, le rayonnement distinctif que les gaz absorbent à leurs propres longueurs d'onde particulières. Bean et ses co-auteurs suggèrent de se concentrer sur ce que l'on peut apprendre en mesurant les spectres d'un grand ensemble d'exoplanètes terrestres.

La spectroscopie peut, par exemple, aider les chercheurs exoplanétaires à vérifier un phénomène appelé rétroaction d'altération des silicates, qui agit comme un thermostat planétaire. Par l'altération des silicates, la quantité de dioxyde de carbone atmosphérique varie selon les processus géologiques. Les volcans émettent du dioxyde de carbone dans l'atmosphère, mais la pluie et les réactions chimiques qui se produisent dans les roches et les sédiments retirent également le gaz de l'atmosphère.

La hausse des températures mettrait plus de vapeur d'eau dans l'atmosphère, qui pleut alors, augmenter la quantité de dioxyde de carbone dissous qui interagit chimiquement avec les roches. Cette perte de dioxyde de carbone de l'atmosphère a un effet de refroidissement. Mais alors qu'une planète commence à se refroidir, l'altération des roches ralentit et la quantité de dioxyde de carbone s'accumule progressivement à partir de ses sources volcaniques, ce qui provoque la hausse des températures.

Des observations à l'échelle mondiale suggèrent que la Terre a subi une rétroaction de l'altération des silicates. Mais les tentatives pour vérifier que le processus fonctionne aujourd'hui à l'échelle des bassins fluviaux individuels se sont avérées difficiles.

"Les résultats sont très bruyants. Il n'y a pas de signal clair, " a déclaré Abbot. " Ce serait formidable d'avoir une autre confirmation indépendante des exoplanètes. "

Les trois co-auteurs souhaitent étoffer les détails des expériences qu'ils ont proposées dans leur article. Abbot prévoit de calculer la quantité de dioxyde de carbone nécessaire pour maintenir une planète habitable dans une gamme d'intensités de rayonnement stellaire tout en modifiant divers paramètres planétaires. Il évaluera également dans quelle mesure un futur instrument serait capable de mesurer le gaz.

"Ensuite, nous allons mettre cela ensemble pour voir combien de planètes nous aurions besoin d'observer pour détecter la tendance indiquant une rétroaction de la météorisation au silicate, " expliqua l'abbé.

Bean et Kempton, pendant ce temps, sont intéressés à détailler ce qu'est un recensement statistique des gaz biologiquement significatifs tels que l'oxygène, le dioxyde de carbone et l'ozone pourraient révéler l'habitabilité de la planète.

"J'aimerais mieux comprendre comment certains des télescopes de la prochaine génération seront capables de distinguer les tendances statistiques qui indiquent des planètes habitables, ou habitées, " a déclaré Kempton.