La recherche de la vie au-delà de la Terre est un élan de créativité et d'innovation. Après une ruée vers l'or de découverte d'exoplanètes au cours des deux dernières décennies, il est temps de passer à l'étape suivante :déterminer lesquelles des exoplanètes connues sont de bons candidats à la vie.

Des scientifiques de la NASA et de deux universités ont présenté de nouveaux résultats dédiés à cette tâche dans des domaines couvrant l'astrophysique, Sciences de la Terre, l'héliophysique et les sciences planétaires - démontrant à quel point une approche interdisciplinaire est essentielle pour trouver la vie sur d'autres mondes - lors de la réunion d'automne de l'American Geophysical Union le 13 décembre, 2017, à la Nouvelle-Orléans, Louisiane.

"L'immobilier potentiellement habitable dans l'univers s'est considérablement étendu, " a déclaré Giada Arney, un astrobiologiste au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "Nous connaissons maintenant des milliers d'exoplanètes, mais ce que nous savons d'eux est limité car nous ne pouvons pas encore les voir directement."

Actuellement, les scientifiques s'appuient principalement sur des méthodes indirectes pour identifier et étudier les exoplanètes; de telles méthodes peuvent leur dire si une planète est semblable à la Terre ou à quel point elle est proche de son étoile mère. Mais cela ne suffit pas encore pour dire si une planète est vraiment habitable, ou adapté à la vie - pour cela, les scientifiques doivent à terme être capables d'observer directement les exoplanètes.

Des conceptions d'instruments et de missions à imagerie directe sont en cours, mais en attendant, Arney a expliqué, les scientifiques progressent avec des outils déjà à leur disposition. Ils construisent des modèles informatiques pour simuler à quoi pourraient ressembler les planètes habitables et comment elles interagiraient avec leurs étoiles mères. Pour valider leurs modèles, ils regardent les planètes de notre propre système solaire, comme analogues des exoplanètes que nous découvrirons peut-être un jour. Cette, bien sûr, comprend la Terre elle-même, la planète que nous connaissons le mieux, et le seul que nous connaissions encore qui soit habitable.

"Dans notre quête de vie sur d'autres mondes, il est important que les scientifiques considèrent les exoplanètes dans un sens holistique, c'est-à-dire du point de vue de plusieurs disciplines, " a déclaré Arney. " Nous avons besoin de ces études multidisciplinaires pour examiner les exoplanètes en tant que mondes complexes façonnés par de multiples astrophysiques, processus planétaires et stellaires, plutôt que de simples points distants dans le ciel."

Étudier la Terre comme une exoplanète

Lorsque les humains commencent à collecter les premières images directes d'exoplanètes, même l'image la plus proche apparaîtra comme une poignée de pixels. Que pouvons-nous apprendre sur la vie planétaire à partir d'une poignée de pixels ?

Stephen Kane, un expert des exoplanètes à l'Université de Californie, Bord de rivière, a trouvé une façon de répondre à cette question en utilisant la caméra d'imagerie polychromatique de la Terre de la NASA à bord de l'Observatoire du climat dans l'espace profond de la National Oceanic and Atmospheric Administration, ou DSCOVR. Kane a expliqué que lui et ses collègues prennent les images haute résolution de DSCOVR, généralement utilisées pour documenter les conditions météorologiques mondiales de la Terre et d'autres événements liés au climat, et les dégradent en images de quelques pixels seulement. Kane passe les images DSCOVR à travers un filtre de bruit qui tente de simuler les interférences attendues d'une mission exoplanète.

"À partir d'une poignée de pixels, nous essayons d'extraire autant d'informations que nous connaissons sur la Terre que nous pouvons, " a déclaré Kane. " Si nous pouvons le faire avec précision pour la Terre, nous pouvons le faire pour les planètes autour d'autres étoiles."

DSCOVR prend une photo toutes les demi-heures et il est en orbite depuis deux ans. C'est plus de 30, 000 images sont de loin le plus long enregistrement continu d'observations sur disque complet depuis l'espace. En observant comment la luminosité de la Terre change lorsque la plupart des terres sont en vue par rapport à principalement de l'eau, Kane a réussi à désosser l'albédo de la Terre, obliquité, le taux de rotation et même la variation saisonnière - quelque chose qui n'a pas encore été mesuré directement pour les exoplanètes - qui pourraient tous potentiellement influencer la capacité d'une planète à soutenir la vie.

À la recherche d'autres Vénus

Tout comme les scientifiques utilisent la Terre comme étude de cas pour les planètes habitables, ils utilisent également des planètes du système solaire - et donc des planètes avec lesquelles ils sont plus familiers - comme études sur ce qui rend les planètes inhabitables.

Kane étudie également la planète sœur de la Terre, Vénus, où la surface est de 850 degrés Fahrenheit et l'atmosphère - remplie d'acide sulfurique - s'enlise à la surface avec 90 fois la pression de la Terre. Puisque la Terre et Vénus sont si proches en taille et pourtant si différentes en termes de perspectives d'habitabilité, il s'intéresse au développement de méthodes pour distinguer les analogues de la Terre et de Vénus dans d'autres systèmes planétaires, comme moyen d'identifier les planètes terrestres potentiellement habitables.

Kane a expliqué qu'il travaillait à identifier les analogues de Vénus dans les données de Kepler de la NASA en définissant la "zone de Vénus, " où l'insolation planétaire - la quantité de lumière qu'une planète donnée reçoit de son étoile hôte - joue un rôle clé dans l'érosion atmosphérique et les cycles des gaz à effet de serre.

"Le destin de la Terre et de Vénus et de leurs atmosphères sont liés l'un à l'autre, " dit Kane. " En recherchant des planètes similaires, nous essayons de comprendre leur évolution, et finalement combien de fois les planètes en développement finissent-elles par un paysage infernal semblable à Vénus."

Modélisation des interactions étoile-planète

Alors que Kane parlait de planètes, La scientifique spatiale Goddard, Katherine Garcia-Sage, s'est concentrée sur la façon dont les planètes interagissent avec leur étoile hôte. Les scientifiques doivent également considérer comment les qualités d'une étoile hôte et de l'environnement électromagnétique d'une planète, qui peuvent la protéger des radiations stellaires dures, entravent ou aident l'habitabilité. le champ magnétique terrestre, par exemple, protège l'atmosphère du vent solaire violent, l'effusion constante de matière solaire chargée par le Soleil, qui peut éliminer les gaz atmosphériques dans un processus appelé échappement ionosphérique.

Garcia-Sage a décrit les recherches sur Proxima b, une exoplanète distante de quatre années-lumière et connue pour exister dans la zone habitable de son étoile naine rouge, Proxima Centauri. Mais ce n'est pas parce qu'elle se trouve dans la zone habitable, à la bonne distance d'une étoile où de l'eau pourrait s'accumuler à la surface d'une planète, qu'elle est nécessairement habitable.

Alors que les scientifiques ne peuvent pas encore dire si Proxima b est magnétisé, ils peuvent utiliser des modèles informatiques pour simuler dans quelle mesure un champ magnétique semblable à la Terre protégerait son atmosphère à l'orbite proche de l'exoplanète à Proxima Centauri, qui produit fréquemment de violentes tempêtes stellaires. Les effets de telles tempêtes sur l'environnement spatial d'une planète donnée sont collectivement connus sous le nom de météo spatiale.

"Nous devons comprendre l'environnement météorologique spatial d'une planète pour savoir si une planète est habitable, " dit Garcia-Sage. " Si l'étoile est trop active, cela peut mettre en danger une atmosphère, ce qui est nécessaire pour fournir de l'eau liquide. Mais il y a une ligne fine :il y a des indications que le rayonnement d'une étoile peut produire des éléments constitutifs de la vie. »

Une étoile naine rouge - l'un des types d'étoiles les plus courants dans notre galaxie - comme Proxima Centauri enlève l'atmosphère lorsque le rayonnement ultraviolet extrême ionise les gaz atmosphériques, produisant une bande de particules chargées électriquement qui peuvent s'écouler dans l'espace le long des lignes de champ magnétique.

Les scientifiques ont calculé combien de rayonnement Proxima Centauri produit en moyenne, basé sur les observations de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA. Sur l'orbite de Proxima b, les scientifiques ont découvert que leur planète semblable à la Terre a rencontré des épisodes de rayonnement ultraviolet extrême des centaines de fois plus importants que la Terre en provenance du Soleil.

Garcia-Sage et ses collègues ont conçu un modèle informatique pour étudier si une planète semblable à la Terre - avec l'atmosphère terrestre, le champ magnétique et la gravité - dans l'orbite de Proxima b pourrait s'accrocher à son atmosphère. Ils ont examiné trois facteurs qui conduisent à l'évasion ionosphérique :le rayonnement stellaire, température de l'atmosphère neutre, et la taille de la calotte polaire, la région sur laquelle l'évasion se produit.

Les scientifiques montrent qu'avec les conditions extrêmes susceptibles d'exister à Proxima b, la planète pourrait perdre une quantité équivalente à l'intégralité de l'atmosphère terrestre en 100 millions d'années, juste une fraction des 4 milliards d'années de Proxima b jusqu'à présent. Même dans le meilleur des cas, que beaucoup de masse s'échappe sur 2 milliards d'années, bien pendant la durée de vie de la planète.

Mars, un laboratoire d'étude des exoplanètes

Alors que Garcia-Sage parlait de planètes magnétisées, David Cerveau, planétologue à l'Université du Colorado, Rocher, parlait de Mars, une planète sans champ magnétique.

"Mars est un grand laboratoire de réflexion sur les exoplanètes, " Brain a déclaré. "Nous pouvons utiliser Mars pour aider à restreindre notre réflexion sur une variété d'exoplanètes rocheuses où nous n'avons pas encore d'observations."

La recherche de Brain utilise des observations de l'atmosphère de Mars de la NASA et de l'évolution volatile, ou MAVEN, mission de poser la question :comment Mars aurait-elle évolué si elle était en orbite autour d'un autre type d'étoile ? La réponse fournit des informations sur la façon dont les planètes rocheuses, un peu comme la nôtre, pourraient se développer différemment dans différentes situations.

On pense que Mars transportait autrefois de l'eau et une atmosphère qui auraient pu la rendre accueillante pour une vie semblable à la Terre. Mais Mars a perdu une grande partie de son atmosphère au fil du temps à travers une variété de processus chimiques et physiques – MAVEN a observé une perte atmosphérique similaire sur la planète depuis son lancement fin 2013.

Cerveau, un co-investigateur MAVEN, et ses collègues ont appliqué les connaissances de MAVEN à une simulation hypothétique d'une planète semblable à Mars en orbite autour d'une étoile de classe M, communément appelée étoile naine rouge. Dans cette situation imaginaire, la planète recevrait environ cinq à dix fois plus de rayonnement ultraviolet que la vraie Mars, qui à son tour accélère l'échappement atmosphérique à des taux beaucoup plus élevés. Leurs calculs indiquent que l'atmosphère de la planète pourrait perdre trois à cinq fois plus de particules chargées et environ cinq à 10 fois plus de particules neutres.

Un tel taux de perte atmosphérique suggère qu'en orbite au bord de la zone habitable d'une étoile silencieuse de classe M, au lieu de notre Soleil, pourrait raccourcir la période habitable de la planète d'un facteur d'environ cinq à 20.

"Mais je ne perdrais pas espoir pour les planètes rocheuses en orbite autour des naines M, " dit Brain. " Nous avons choisi le pire des cas. Mars est une petite planète, et manque de champ magnétique afin que le vent solaire puisse éliminer plus efficacement son atmosphère. Nous avons également choisi une Mars qui n'est pas géologiquement active, il n'y a donc pas de source d'atmosphère interne. Si vous avez modifié un facteur, une telle planète pourrait être un endroit plus heureux."

Chacune de ces études n'apporte qu'une seule pièce à un puzzle beaucoup plus vaste :déterminer quelles caractéristiques nous devons rechercher, et besoin de reconnaître, à la recherche d'une planète qui pourrait abriter la vie. Ensemble, une telle recherche interdisciplinaire jette les bases pour garantir que, à mesure que de nouvelles missions pour observer plus clairement les exoplanètes se développent, nous serons prêts à déterminer s'ils pourraient simplement héberger la vie.