Illustration d'une exoplanète. Crédit :Centre de vol spatial Goddard de la NASA/Chris Smith
Dans un bâtiment en briques générique à l'extrémité nord-ouest du campus du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, des milliers d'ordinateurs emballés dans des racks de la taille de distributeurs automatiques bourdonnent dans un chœur assourdissant de traitement de données. Jour et nuit, ils crachent 7 quadrillions de calculs par seconde. Ces machines sont collectivement connues sous le nom de superordinateur Discover de la NASA et elles sont chargées d'exécuter des modèles climatiques sophistiqués pour prédire le climat futur de la Terre.
Mais maintenant, ils envisagent également quelque chose de beaucoup plus éloigné :qu'il s'agisse de l'un des plus de 4, 000 planètes curieusement étranges au-delà de notre système solaire découvertes au cours des deux dernières décennies pourraient abriter la vie.
Les scientifiques découvrent que la réponse est non seulement oui, mais que c'est oui dans une gamme de conditions surprenantes par rapport à la Terre. Cette révélation a incité nombre d'entre eux à s'attaquer à une question vitale pour la recherche de la vie au-delà de la Terre par la NASA. Est-il possible que nos notions de ce qui rend une planète propice à la vie soient trop restrictives ?
La prochaine génération de puissants télescopes et d'observatoires spatiaux nous donnera sûrement plus d'indices. Ces instruments permettront pour la première fois aux scientifiques d'analyser les atmosphères des planètes les plus fascinantes :les rocheuses, comme la Terre, qui pourraient avoir un ingrédient essentiel à la vie - l'eau liquide - circulant à leur surface.
Pour le moment, il est difficile de sonder les atmosphères lointaines. Envoyant un vaisseau spatial sur la planète la plus proche en dehors de notre système solaire, ou exoplanète, prendrait 75, 000 ans avec la technologie d'aujourd'hui. Même avec de puissants télescopes, les exoplanètes proches sont pratiquement impossibles à étudier en détail. Le problème, c'est qu'elles sont trop petites et trop noyées par la lumière de leurs étoiles pour que les scientifiques puissent distinguer les faibles signatures lumineuses qu'elles reflètent, des signatures qui pourraient révéler la chimie de la vie à la surface.
En d'autres termes, détecter les ingrédients des atmosphères autour de ces planètes fantômes, comme de nombreux scientifiques aiment à le souligner, c'est comme se tenir à Washington, D.C., et en essayant d'apercevoir une luciole à côté d'un projecteur à Los Angeles. Cette réalité rend les modèles climatiques essentiels à l'exploration, a déclaré Karl Stapelfeldt, scientifique en chef des exoplanètes, qui est basé au Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, Californie.
"Les modèles rendent spécifiques, prédictions vérifiables de ce que nous devrions voir, ", a-t-il déclaré. "Ceux-ci sont très importants pour la conception de nos futurs télescopes et stratégies d'observation."
Quand une planète passe directement entre nous et son étoile, nous voyons l'étoile s'atténuer légèrement parce que la planète bloque une partie de la lumière. La mesure de ces creux à la lumière des étoiles est une technique, qui est connu comme la « méthode de transit, " que les scientifiques utilisent pour identifier les exoplanètes. Les scientifiques font un tracé appelé « courbe de lumière » qui montre la luminosité de l'étoile au fil du temps. En utilisant ce tracé, les scientifiques peuvent voir quel pourcentage de la lumière de l'étoile la planète bloque et combien de temps il faut à la planète pour traverser le disque de l'étoile, informations qui les aident à estimer la distance de la planète à l'étoile et sa masse. Crédit :Goddard Space Flight Center de la NASA
Le système solaire est-il un bon modèle ?
En balayant le cosmos avec de grands télescopes terrestres et spatiaux, les astronomes ont découvert un assortiment éclectique de mondes qui semblent tirés de l'imagination.
"Pendant longtemps, les scientifiques étaient vraiment concentrés sur la recherche de systèmes semblables au Soleil et à la Terre. C'est tout ce que nous savions, " dit Elisa Quintana, un astrophysicien Goddard de la NASA qui a dirigé la découverte en 2014 de la planète Kepler-186f, de la taille de la Terre. "Mais nous avons découvert qu'il y a toute cette diversité folle dans les planètes. Nous avons trouvé des planètes aussi petites que la Lune. Nous avons trouvé des planètes géantes. Et nous en avons trouvé certaines qui orbitent de minuscules étoiles, étoiles géantes et étoiles multiples."
En effet, la plupart des planètes détectées par le télescope spatial Kepler de la NASA et le nouveau satellite Transiting Exoplanet Survey, ainsi que des observations au sol, n'existent pas dans notre système solaire. Ils se situent entre la taille d'une Terre terrestre et d'un Uranus gazeux, qui est quatre fois plus grande que cette planète.
Les planètes les plus proches en taille de la Terre, et le plus susceptible en théorie d'avoir des conditions habitables, jusqu'à présent n'ont été trouvés qu'autour des étoiles "naines rouges", qui constituent la grande majorité des étoiles de la galaxie. Mais c'est probablement parce que les naines rouges sont plus petites et plus sombres que le Soleil, le signal des planètes en orbite autour d'elles est donc plus facile à détecter pour les télescopes.
Parce que les naines rouges sont petites, les planètes doivent se rapprocher inconfortablement - plus près que Mercure ne l'est du Soleil - pour rester gravitationnellement attachées à elles. Et parce que les naines rouges sont cool, par rapport à toutes les autres étoiles, les planètes doivent être plus proches d'elles pour tirer suffisamment de chaleur pour permettre à l'eau liquide de s'accumuler à leur surface.
Parmi les découvertes récentes les plus séduisantes dans les systèmes naines rouges figurent des planètes comme Proxima Centauri b, ou simplement Proxima b. C'est l'exoplanète la plus proche. Il y a également sept planètes rocheuses dans le système voisin TRAPPIST-1. Que ces planètes puissent ou non soutenir la vie est encore un sujet de débat. Les scientifiques soulignent que les naines rouges peuvent cracher jusqu'à 500 fois plus de rayons ultraviolets et de rayons X nocifs sur leurs planètes que le Soleil n'éjecte dans le système solaire. Toute en face, cet environnement dépouillerait les atmosphères, évaporez les océans et faites frire l'ADN sur n'importe quelle planète proche d'une naine rouge.
Encore, peut être pas. Les modèles climatiques terrestres montrent que les exoplanètes rocheuses autour des naines rouges pourraient être habitables malgré le rayonnement.
En 2014, La mission Swift de la NASA a détecté une série record d'éruptions de rayons X déclenchées par le DG CVn, un binaire voisin composé de deux étoiles naines rouges, illustré ici. À son apogée, l'éruption initiale était plus brillante en rayons X que la lumière combinée des deux étoiles à toutes les longueurs d'onde dans des conditions normales. Crédit :Goddard Space Flight Center de la NASA
La magie est dans les nuages
Anthony Del Genio est un climatologue planétaire récemment retraité du Goddard Institute for Space Studies de la NASA à New York. Au cours de sa carrière, il a simulé les climats de la Terre et d'autres planètes, dont Proxima b.
L'équipe de Del Genio a récemment simulé des climats possibles sur Proxima b pour tester combien le laisseraient suffisamment chaud et humide pour accueillir la vie. Ce type de travail de modélisation aide les scientifiques de la NASA à identifier une poignée de planètes prometteuses dignes d'une étude plus rigoureuse avec le prochain télescope spatial James Webb de la NASA.
"Bien que notre travail ne puisse pas dire aux observateurs si une planète est habitable ou non, nous pouvons leur dire si une planète est en plein milieu des bons candidats pour chercher plus loin, " a déclaré Del Genio.
Proxima b orbite autour de Proxima Centauri dans un système à trois étoiles situé à seulement 4,2 années-lumière du Soleil. Par ailleurs, les scientifiques ne savent pas grand-chose à ce sujet. Ils croient que c'est rocheux, en fonction de sa masse estimée, qui est légèrement plus grand que celui de la Terre. Les scientifiques peuvent déduire la masse en observant combien Proxima b tire sur son étoile pendant qu'elle orbite autour d'elle.
Le problème avec Proxima b, c'est qu'elle est 20 fois plus proche de son étoile que la Terre ne l'est du Soleil. Par conséquent, il ne faut que 11,2 jours à la planète pour faire une orbite (la Terre met 365 jours pour faire une orbite autour du Soleil). La physique dit aux scientifiques que cet arrangement confortable pourrait laisser Proxima b verrouillé gravitationnellement sur son étoile, comme la Lune est verrouillée gravitationnellement sur Terre. Si vrai, un côté de Proxima b fait face au rayonnement intense de l'étoile tandis que l'autre se fige dans l'obscurité de l'espace dans une recette planétaire qui n'augure rien de bon pour la vie des deux côtés.
Mais les simulations de Del Genio montrent que Proxima b, ou toute planète aux caractéristiques similaires, pourrait être habitable malgré les forces qui conspirent contre elle. "Et les nuages et les océans y jouent un rôle fondamental, " a déclaré Del Genio.
L'équipe de Del Genio a mis à niveau un modèle climatique terrestre développé pour la première fois dans les années 1970 pour créer un simulateur planétaire appelé ROCKE-3-D. La question de savoir si Proxima b a une atmosphère est une question ouverte et critique qui, espérons-le, sera résolue par les futurs télescopes. Mais l'équipe de Del Genio a supposé que c'était le cas.
À chaque simulation, l'équipe de Del Genio a fait varier les types et les quantités de gaz à effet de serre dans l'air de Proxima b. Ils ont également changé la profondeur, Taille, et la salinité de ses océans et ajusté le rapport terre/eau pour voir comment ces modifications influenceraient le climat de la planète.
Des modèles tels que ROCKE-3-D ne commencent avec que des grains d'informations de base sur une exoplanète :sa taille, Masse, et la distance de son étoile. Les scientifiques peuvent déduire ces choses en regardant la lumière d'une étoile plonger alors qu'une planète passe devant elle, ou en mesurant l'attraction gravitationnelle exercée sur une étoile lorsqu'une planète en fait le tour.
Ces rares détails physiques informent des équations qui comprennent jusqu'à un million de lignes de code informatique nécessaires pour construire les modèles climatiques les plus sophistiqués. Le code demande à un ordinateur comme le supercalculateur Discover de la NASA d'utiliser les règles de la nature établies pour simuler les systèmes climatiques mondiaux. Parmi de nombreux autres facteurs, les modèles climatiques examinent comment les nuages et les océans circulent et interagissent et comment le rayonnement d'un soleil interagit avec l'atmosphère et la surface d'une planète.
Lorsque l'équipe de Del Genio a lancé ROCKE-3-D sur Discover, ils ont vu que les nuages hypothétiques de Proxima b agissaient comme un parasol massif en déviant le rayonnement. Cela pourrait abaisser la température du côté exposé au soleil de Proxima b de trop chaud à chaud.
D'autres scientifiques ont découvert que Proxima b pouvait former des nuages si massifs qu'ils effaceraient tout le ciel si l'on regardait de la surface.
"Si une planète est verrouillée gravitationnellement et tourne lentement sur son axe, un cercle de nuages se forme devant l'étoile, pointant toujours vers elle. Ceci est dû à une force connue sous le nom d'effet Coriolis, qui provoque la convection à l'endroit où l'étoile chauffe l'atmosphère, " a déclaré Ravi Kopparapu, un scientifique planétaire Goddard de la NASA qui modélise également les climats potentiels des exoplanètes. "Notre modélisation montre que Proxima b pourrait ressembler à ceci."
En plus de rendre le côté jour de Proxima b plus tempéré que prévu, une combinaison de circulation atmosphérique et océanique déplacerait l'air chaud et l'eau autour de la planète, transportant ainsi la chaleur vers le côté froid. "Ainsi, non seulement vous empêchez l'atmosphère du côté nuit de geler, vous créez des pièces du côté nuit qui maintiennent en fait de l'eau liquide en surface, même si ces parties ne voient pas de lumière, " a déclaré Del Genio.
Il s'agit d'un extrait du code Fortran du modèle ROCKE-3D qui calcule les détails de l'orbite de n'importe quelle planète autour de son étoile. Cela a été modifié par rapport au modèle original de la Terre afin qu'il puisse gérer n'importe quel type de planète dans n'importe quel type d'orbite, y compris les planètes qui sont "marquées par les marées, " avec un côté toujours tourné vers l'étoile. Ce code est nécessaire pour prédire à quel moment l'étoile se trouve dans le ciel d'une planète, et donc à quel point la planète est fortement chauffée, combien de temps le jour et la nuit sont-ils, s'il y a des saisons, et si oui, combien de temps ils sont. Crédit :Institut Goddard d'études spatiales de la NASA/Anthony Del Genio
Jeter un nouveau regard sur un ancien modèle
Les atmosphères sont des enveloppes de molécules autour des planètes. En plus d'aider à maintenir et à faire circuler la chaleur, les atmosphères distribuent les gaz qui nourrissent la vie ou sont produits par celle-ci.
Ces gaz sont les soi-disant « biosignatures » que les scientifiques rechercheront dans l'atmosphère des exoplanètes. Mais ce qu'ils devraient rechercher exactement est encore indécis.
La Terre est la seule preuve que les scientifiques ont de la chimie d'une atmosphère qui maintient la vie. Encore, ils doivent être prudents lorsqu'ils utilisent la chimie de la Terre comme modèle pour le reste de la galaxie. Simulations de la planétologue Goddard Giada Arney, par exemple, montrent que même quelque chose d'aussi simple que l'oxygène - le signe par excellence de la vie végétale et de la photosynthèse sur Terre moderne - pourrait présenter un piège.
Le travail d'Arney met en évidence quelque chose d'intéressant. Si des civilisations extraterrestres avaient pointé leurs télescopes vers la Terre il y a des milliards d'années dans l'espoir de trouver une planète bleue nageant dans l'oxygène, ils auraient été déçus; peut-être auraient-ils tourné leurs télescopes vers un autre monde. Mais au lieu de l'oxygène, le méthane aurait pu être la meilleure biosignature à rechercher il y a 3,8 à 2,5 milliards d'années. Cette molécule a été produite en abondance à l'époque, probablement par les micro-organismes qui fleurissent tranquillement dans les océans.
"Ce qui est intéressant à propos de cette phase de l'histoire de la Terre, c'est qu'elle était si étrangère par rapport à la Terre moderne, " dit Arney. " Il n'y avait pas encore d'oxygène, donc ce n'était même pas un point bleu pâle. C'était un point orange pâle, " elle a dit, faisant référence à la brume orange produite par le smog de méthane qui a peut-être enveloppé la Terre primitive.
Des découvertes comme celle-ci, Arney a dit, "ont élargi notre réflexion sur ce qui est possible parmi les exoplanètes, " contribuant à élargir la liste des biosignatures que les planétologues rechercheront dans les atmosphères lointaines.
Les scientifiques de la NASA ont maintenant l'image globale la plus complète de la vie sur Terre à ce jour. Du point de vue unique de l'espace, La NASA observe non seulement les masses continentales et les océans de la Terre, mais aussi les organismes qui y vivent. Crédit :Goddard Space Flight Center de la NASA
Construire un plan pour les chasseurs d'atmosphère
Bien que les leçons tirées des modèles climatiques planétaires soient théoriques, ce qui signifie que les scientifiques n'ont pas eu l'occasion de les tester dans le monde réel, elles offrent un modèle pour les observations futures.
L'un des principaux objectifs de la simulation des climats est d'identifier les planètes les plus prometteuses vers lesquelles se tourner avec le télescope Webb et d'autres missions afin que les scientifiques puissent utiliser plus efficacement le temps limité et coûteux du télescope. En outre, ces simulations aident les scientifiques à créer un catalogue de signatures chimiques potentielles qu'ils détecteront un jour. Le fait de disposer d'une telle base de données les aidera à déterminer rapidement le type de planète qu'ils observent et à décider s'ils doivent continuer à sonder ou orienter leurs télescopes ailleurs.
Découvrir la vie sur des planètes lointaines est un pari, Del Genio a noté:"Donc, si nous voulons observer le plus sagement, nous devons prendre les recommandations des modèles climatiques, car cela ne fait qu'augmenter les chances."
