Les scientifiques ont découvert des milliers d'exoplanètes, y compris des dizaines de mondes terrestres ou rocheux dans les zones habitables autour de leurs étoiles mères. Une approche prometteuse pour rechercher des signes de vie sur ces mondes consiste à sonder les atmosphères des exoplanètes à la recherche de « biosignatures » – des bizarreries dans la composition chimique qui sont des signes révélateurs de la vie. Par exemple, grâce à la photosynthèse, notre atmosphère est à près de 21% d'oxygène, un niveau beaucoup plus élevé que prévu compte tenu de la composition de la Terre, orbite et étoile mère.

Trouver des biosignatures n'est pas une tâche simple. Les scientifiques utilisent des données sur la façon dont les atmosphères des exoplanètes interagissent avec la lumière de leur étoile mère pour en savoir plus sur leurs atmosphères. Mais les informations, ou spectres, qu'ils peuvent recueillir à l'aide des télescopes terrestres et spatiaux d'aujourd'hui est trop limité pour mesurer directement les atmosphères ou détecter les biosignatures.

Des chercheurs sur les exoplanètes tels que Victoria Meadows, professeur d'astronomie à l'Université de Washington, se concentrent sur ce que les prochains observatoires, comme le télescope spatial James Webb, ou JWST, pourrait mesurer dans les atmosphères des exoplanètes. Le 15 février, lors de la réunion annuelle de l'American Association for the Advancement of Science à Seattle, Prairies, un chercheur principal du Virtual Planetary Laboratory de l'UW, présentera une conférence pour résumer le type de données que ces nouveaux observatoires peuvent collecter et ce qu'ils peuvent révéler sur les atmosphères terrestres, Exoplanètes semblables à la Terre. Meadows s'est entretenu avec UW News pour discuter de la promesse de ces nouvelles missions pour nous aider à voir les exoplanètes sous un nouveau jour.

Q :Quels changements arrivent dans le domaine de la recherche sur les exoplanètes ?

Dans les cinq à dix prochaines années, nous aurons potentiellement notre première chance d'observer les atmosphères des exoplanètes terrestres. En effet, de nouveaux observatoires sont sur le point d'être mis en ligne, y compris le télescope spatial James Webb et des observatoires au sol comme le télescope extrêmement grand. Une grande partie de nos récents travaux au Laboratoire planétaire virtuel, ainsi que par des collègues d'autres institutions, s'est concentré sur la simulation de ce à quoi les exoplanètes ressemblant à la Terre « ressembleront » au JWST et aux télescopes au sol. Cela nous permet de comprendre les spectres que ces télescopes vont capter, et ce que ces données nous diront et ne diront pas sur ces atmosphères d'exoplanètes.

Q :Quels types d'atmosphères d'exoplanètes le JWST et d'autres missions pourront-ils caractériser ?

Nos cibles sont en fait un groupe sélectionné d'exoplanètes qui sont à proximité - à moins de 40 années-lumière - et orbitent très petit, étoiles fraîches. Pour référence, la mission Kepler a identifié des exoplanètes autour d'étoiles de plus de 1, à 000 années-lumière. Les étoiles hôtes plus petites nous aident également à obtenir de meilleurs signaux sur la composition des atmosphères planétaires, car la fine couche d'atmosphère planétaire peut bloquer davantage la lumière d'une étoile plus petite.

Il y a donc une poignée d'exoplanètes sur lesquelles nous nous concentrons pour rechercher des signes d'habitabilité et de vie. Tous ont été identifiés par des enquêtes au sol comme TRAPPIST et son successeur, SPECULOOS, tous deux gérés par l'Université de Liège, ainsi que le MEarth Project géré par Harvard. Les exoplanètes les plus connues de ce groupe sont probablement les sept planètes telluriques en orbite autour de TRAPPIST-1. TRAPPIST-1 est une étoile naine M - l'une des plus petites que vous puissiez avoir et être toujours une étoile - et ses sept exoplanètes s'étendent à l'intérieur et au-delà de la zone habitable, avec trois dans la zone habitable.

Nous avons identifié TRAPPIST-1 comme le meilleur système à étudier car cette étoile est si petite que nous pouvons obtenir des signaux assez importants et informatifs à partir des atmosphères de ces mondes. Ce sont tous des cousins ​​de la Terre, mais avec une étoile parente très différente, il sera donc très intéressant de voir à quoi ressemblent leurs atmosphères.

Q :Qu'avez-vous appris jusqu'à présent sur les atmosphères des exoplanètes TRAPPIST-1 ?

La communauté astronomique a effectué des observations du système TRAPPIST-1, mais nous n'avons rien vu d'autre que des "non-détections". Cela peut encore nous en dire beaucoup. Par exemple, les observations et les modèles suggèrent que ces atmosphères d'exoplanètes sont moins susceptibles d'être dominées par l'hydrogène, l'élément le plus léger. Cela signifie qu'ils n'ont pas d'atmosphère du tout, ou ils ont des atmosphères de densité relativement élevée comme la Terre.

Q :Pas d'atmosphères du tout ? Qu'est-ce qui causerait ça ?

Les étoiles naines M ont une histoire très différente de celle de notre propre soleil. Après leur enfance, les étoiles semblables au soleil s'éclaircissent avec le temps au fur et à mesure qu'elles fusionnent.

Les nains M commencent grands et brillants, alors qu'ils s'effondrent gravitationnellement jusqu'à la taille qu'ils auront alors pendant la majeure partie de leur vie. Donc, Les planètes naines M pourraient être soumises à de longues périodes, peut-être jusqu'à un milliard d'années, de luminosité de haute intensité. Qui pourrait dépouiller une planète de son atmosphère, mais l'activité volcanique peut aussi reconstituer les atmosphères. En fonction de leurs densités, nous savons que de nombreux mondes de TRAPPIST-1 sont susceptibles d'avoir des réservoirs de composés - à des niveaux beaucoup plus élevés que la Terre, en fait, cela pourrait reconstituer l'atmosphère. Les premiers résultats significatifs de JWST pour TRAPPIST-1 seront :Quels mondes ont retenu les atmosphères ? Et de quels types d'ambiances s'agit-il ?

Je suis tranquillement optimiste qu'ils ont des atmosphères à cause de ces réservoirs, que nous détectons toujours. Mais je suis prêt à être surpris par les données.

Quels types de signaux le JWST et d'autres observatoires rechercheront-ils dans l'atmosphère des exoplanètes TRAPPIST-1. Le signal le plus facile à rechercher sera probablement la présence de dioxyde de carbone.

Q :Le CO2 est-il une biosignature ?

Pas tout seul, et pas seulement à partir d'un seul signal. Je dis toujours à mes élèves :regardez bien, regarde à gauche. Vénus et Mars ont des atmosphères avec des niveaux élevés de CO2, mais pas de vie. Dans l'atmosphère terrestre, Les niveaux de CO2 s'ajustent avec nos saisons. Au printemps, les niveaux diminuent à mesure que les plantes poussent et éliminent le CO2 de l'atmosphère. En automne, les plantes se décomposent et le CO2 augmente. Donc, si vous voyez du cyclisme saisonnier, cela pourrait être une biosignature. Mais les observations saisonnières sont très improbables avec JWST.

Au lieu, JWST peut rechercher une autre biosignature potentielle, méthane en présence de CO2. Le méthane devrait normalement avoir une courte durée de vie avec le CO2. Donc, si nous détectons les deux ensemble, quelque chose produit probablement activement du méthane. Sur Terre, la plupart du méthane dans notre atmosphère est produit par la vie.

Q :Qu'en est-il de la détection d'oxygène ?

L'oxygène seul n'est pas une biosignature. Cela dépend de ses niveaux et de ce qu'il y a d'autre dans l'atmosphère. Vous pourriez avoir une atmosphère riche en oxygène à cause de la perte d'un océan, par exemple :la lumière sépare les molécules d'eau en hydrogène et oxygène. L'hydrogène s'échappe dans l'espace, et l'oxygène s'accumule dans l'atmosphère.

Le JWST ne captera probablement pas directement l'oxygène de la photosynthèse oxygénée – la biosphère à laquelle nous sommes habitués maintenant. Le télescope extrêmement large et les observatoires associés pourraient être en mesure, parce qu'ils regarderont une longueur d'onde différente de celle du JWST, où ils auront une meilleure chance de voir de l'oxygène. Le JWST sera meilleur pour détecter des biosphères similaires à ce que nous avions sur Terre il y a des milliards d'années, et pour différencier les différents types d'atmosphères.

Q :Quels sont les différents types d'atmosphères que les exoplanètes TRAPPIST-1 pourraient posséder ?

La phase de haute luminosité du nain M pourrait conduire une planète vers une atmosphère avec un effet de serre incontrôlable, comme Vénus. Comme j'ai dit auparavant, vous pourriez perdre un océan et avoir une atmosphère riche en oxygène. Une troisième possibilité est d'avoir quelque chose de plus semblable à la Terre.

Q :Parlons de cette deuxième possibilité. Comment JWST pourrait-il révéler une atmosphère riche en oxygène s'il ne peut pas détecter directement l'oxygène ?

La beauté du JWST est qu'il peut capter les processus qui se produisent dans l'atmosphère d'une exoplanète. Il captera les signatures des collisions entre molécules d'oxygène, ce qui se produira plus souvent dans une atmosphère riche en oxygène. Nous ne pouvons donc probablement pas voir les quantités d'oxygène associées à une biosphère photosynthétique. Mais si une quantité beaucoup plus importante d'oxygène était laissée par la perte de l'océan, nous pouvons probablement voir les collisions de l'oxygène dans le spectre, et c'est probablement un signe que l'exoplanète a perdu un océan.

Donc, Il est peu probable que JWST nous donne une preuve concluante des biosignatures, mais peut fournir des indices alléchants, qui nécessitent un suivi supplémentaire et, pour aller de l'avant, la réflexion sur de nouvelles missions au-delà du JWST. La NASA envisage déjà de nouvelles missions. Quelles seraient leurs capacités ?

Cela m'amène également à un point très important :la science des exoplanètes est massivement interdisciplinaire. Comprendre l'environnement de ces mondes nécessite de considérer l'orbite, composition, histoire et étoile hôte - et nécessite la contribution d'astronomes, géologues, scientifiques de l'atmosphère, scientifiques stellaires. Il faut vraiment un village pour comprendre une planète.