Cette illustration montre le télescope spatial Hubble superposé à une image de la Lune, vu lors d'une éclipse lunaire. Profitant d'une éclipse lunaire totale en janvier 2019, des astronomes utilisant le télescope spatial Hubble de la NASA ont détecté de l'ozone dans l'atmosphère terrestre. Cette méthode sert de proxy pour la façon dont ils observeront des planètes semblables à la Terre transitant devant d'autres étoiles à la recherche de vie. L'alignement parfait de notre planète avec le Soleil et la Lune lors d'une éclipse lunaire totale imite la géométrie d'une planète terrestre en transit avec son étoile. Dans une nouvelle étude, Hubble n'a pas regardé la Terre directement. Au lieu, les astronomes ont utilisé la Lune comme un miroir qui reflète la lumière du soleil transmise à travers l'atmosphère terrestre, qui a ensuite été capturé par Hubble. C'est la première fois qu'une éclipse lunaire totale est capturée aux longueurs d'onde ultraviolettes et à partir d'un télescope spatial. Crédit :M. Kornmesser (ESA/Hubble), Nasa, et ESA
Profitant d'une éclipse lunaire totale, des astronomes utilisant le télescope spatial Hubble de la NASA ont détecté la propre marque d'écran solaire de la Terre, l'ozone, dans notre atmosphère. Cette méthode simule la façon dont les astronomes et les chercheurs en astrobiologie rechercheront des preuves de la vie au-delà de la Terre en observant des « biosignatures » potentielles sur des exoplanètes (planètes autour d'autres étoiles).
Hubble n'a pas regardé la Terre directement. Au lieu, les astronomes ont utilisé la Lune comme miroir pour refléter la lumière du soleil, qui avait traversé l'atmosphère terrestre, puis réfléchi vers Hubble. L'utilisation d'un télescope spatial pour les observations d'éclipses reproduit les conditions dans lesquelles les futurs télescopes mesureraient les atmosphères des exoplanètes en transit. Ces atmosphères peuvent contenir des produits chimiques d'intérêt pour l'astrobiologie, l'étude et la recherche de la vie.
Bien que de nombreuses observations au sol de ce type aient déjà été faites, c'est la première fois qu'une éclipse lunaire totale est capturée aux longueurs d'onde ultraviolettes et à partir d'un télescope spatial. Hubble a détecté la forte empreinte spectrale de l'ozone, qui absorbe une partie de la lumière du soleil. L'ozone est important pour la vie car il est la source du bouclier protecteur dans l'atmosphère terrestre.
Sur Terre, la photosynthèse sur des milliards d'années est responsable des niveaux élevés d'oxygène et de l'épaisse couche d'ozone de notre planète. C'est l'une des raisons pour lesquelles les scientifiques pensent que l'ozone ou l'oxygène pourraient être un signe de vie sur une autre planète, et les appeler biosignatures.
"Trouver de l'ozone est important car c'est un sous-produit photochimique de l'oxygène moléculaire, qui est lui-même un sous-produit de la vie, " a expliqué Allison Youngblood du Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale de Boulder, Colorado, chercheur principal des observations de Hubble.
Bien que l'ozone dans l'atmosphère terrestre ait été détecté lors de précédentes observations au sol lors d'éclipses lunaires, L'étude de Hubble représente la détection la plus forte de la molécule à ce jour parce que l'ozone, tel que mesuré depuis l'espace sans interférence d'autres produits chimiques dans l'atmosphère terrestre, absorbe si fortement la lumière ultraviolette.
Hubble a enregistré l'ozone absorbant une partie du rayonnement ultraviolet du Soleil qui a traversé le bord de l'atmosphère terrestre lors d'une éclipse lunaire qui s'est produite du 20 au 21 janvier, 2019. Plusieurs autres télescopes au sol ont également effectué des observations spectroscopiques à d'autres longueurs d'onde pendant l'éclipse, à la recherche d'autres ingrédients atmosphériques de la Terre, comme l'oxygène et le méthane.
"L'un des principaux objectifs de la NASA est d'identifier les planètes qui pourraient abriter la vie, " dit Youngblood. " Mais comment connaîtrions-nous une planète habitable ou inhabitée si nous en voyions une ? À quoi ressembleraient-elles avec les techniques dont les astronomes disposent pour caractériser les atmosphères des exoplanètes ? C'est pourquoi il est important de développer des modèles du spectre de la Terre comme modèle pour catégoriser les atmosphères des planètes extrasolaires."
Son article est disponible en ligne dans Le journal astronomique .
Renifler les atmosphères planétaires
Les atmosphères de certaines planètes extrasolaires peuvent être sondées si le monde extraterrestre passe devant son étoile mère, un événement appelé transit. Lors d'un transit, la lumière des étoiles filtre à travers l'atmosphère de l'exoplanète rétroéclairée. (Si vu de près, la silhouette de la planète aurait l'air d'avoir une mince, "halo" brillant autour de lui causé par l'atmosphère illuminée, tout comme la Terre vue de l'espace.)
Les produits chimiques dans l'atmosphère laissent leur signature révélatrice en filtrant certaines couleurs de la lumière des étoiles. Les astronomes utilisant Hubble ont été les pionniers de cette technique pour sonder les exoplanètes. Ceci est particulièrement remarquable car les planètes extrasolaires n'avaient pas encore été découvertes lors du lancement de Hubble en 1990 et l'observatoire spatial n'était pas initialement conçu pour de telles expériences.
Ce diagramme (pas à l'échelle) explique la géométrie de l'éclipse lunaire. Lorsque la Lune est entièrement dans l'ombre de la Terre (appelée éclipse lunaire totale ou éclipse ombrale), toute la lumière du soleil atteignant la surface lunaire a été réfractée ou dispersée dans l'atmosphère terrestre. Lorsque la Lune est dans la pénombre de la Terre (appelée éclipse pénombrale), l'éclairage provient à la fois de la lumière directe du soleil et de la lumière solaire réfractée et dispersée dans l'atmosphère de la planète. Ce processus est similaire à une observation du transit d'une exoplanète. Crédit :M. Kornmesser (ESA/Hubble), Nasa, et ESA
Jusque là, les astronomes ont utilisé Hubble pour observer les atmosphères des planètes géantes gazeuses et des super-Terres (planètes plusieurs fois la masse de la Terre) qui transitent par leurs étoiles. Mais les planètes terrestres de la taille de la Terre sont des objets beaucoup plus petits et leurs atmosphères sont plus minces, comme la peau d'une pomme. Par conséquent, démêler ces signatures d'exoplanètes de la taille de la Terre sera beaucoup plus difficile.
C'est pourquoi les chercheurs auront besoin de télescopes spatiaux beaucoup plus grands que Hubble pour capter la faible lumière des étoiles traversant l'atmosphère de ces petites planètes lors d'un transit. Ces télescopes devront observer les planètes plus longtemps, plusieurs dizaines d'heures, pour créer un signal fort.
Pour se préparer à ces plus gros télescopes, les astronomes ont décidé de mener des expériences sur une planète terrestre habitée beaucoup plus proche et la seule connue :la Terre. L'alignement parfait de notre planète avec le Soleil et la Lune lors d'une éclipse lunaire totale imite la géométrie d'une planète terrestre transitant par son étoile.
Mais les observations étaient également difficiles car la Lune est très brillante, et sa surface n'est pas un réflecteur parfait car elle est tachetée de zones claires et sombres. La Lune est également si proche de la Terre que Hubble a dû essayer de garder un œil sur une région sélectionnée, malgré le mouvement de la Lune par rapport à l'observatoire spatial. Donc, L'équipe de Youngblood a dû tenir compte de la dérive de la Lune dans son analyse.
Là où il y a de l'ozone, Il y a la Vie ?
Trouver de l'ozone dans le ciel d'une planète extrasolaire terrestre ne garantit pas que la vie existe à la surface. "Il faudrait d'autres signatures spectrales en plus de l'ozone pour conclure qu'il y avait de la vie sur la planète, et ces signatures ne sont pas nécessairement visibles en lumière ultraviolette, " a déclaré Youngblood.
Cette image télescopique de la Lune au sol met en évidence la région générale où les astronomes ont utilisé le télescope spatial Hubble de la NASA pour mesurer la quantité d'ozone dans l'atmosphère terrestre. Cette méthode sert de proxy pour la façon dont ils observeront des planètes semblables à la Terre autour d'autres étoiles à la recherche de vie. Crédit :M. Kornmesser (ESA/Hubble), Nasa, et ESA
Sur Terre, l'ozone se forme naturellement lorsque l'oxygène de l'atmosphère terrestre est exposé à de fortes concentrations de lumière ultraviolette. L'ozone forme une couverture autour de la Terre, le protégeant des rayons ultraviolets agressifs.
"La photosynthèse pourrait être le métabolisme le plus productif qui puisse évoluer sur n'importe quelle planète, parce qu'il est alimenté par l'énergie de la lumière des étoiles et utilise des éléments cosmiquement abondants comme l'eau et le dioxyde de carbone, " a déclaré Giada Arney du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, co-auteur de l'article scientifique. "Ces ingrédients nécessaires devraient être communs sur les planètes habitables."
La variabilité saisonnière de la signature de l'ozone pourrait également indiquer une production biologique saisonnière d'oxygène, tout comme il le fait avec les saisons de croissance des plantes sur Terre.
Mais l'ozone peut également être produit sans la présence de vie lorsque l'azote et l'oxygène sont exposés au soleil. Pour augmenter la confiance qu'une biosignature donnée est vraiment produite par la vie, les astronomes doivent rechercher des combinaisons de biosignatures. Une campagne multi-longueurs d'onde est nécessaire car chacune des nombreuses biosignatures est plus facilement détectée à des longueurs d'onde spécifiques à ces signatures.
« Les astronomes devront également prendre en compte le stade de développement de la planète lorsqu'ils examinent des étoiles plus jeunes avec de jeunes planètes. Si vous vouliez détecter l'oxygène ou l'ozone d'une planète similaire à la Terre primitive, quand il y avait moins d'oxygène dans notre atmosphère, les caractéristiques spectrales de la lumière optique et infrarouge ne sont pas assez fortes, " Arney a expliqué. " Nous pensons que la Terre avait de faibles concentrations d'ozone avant la période géologique du milieu du Protérozoïque (entre environ 2,0 milliards et 0,7 milliard d'années) lorsque la photosynthèse a contribué à l'accumulation d'oxygène et d'ozone dans l'atmosphère aux niveaux que nous voyons. aujourd'hui. Mais parce que la signature de lumière ultraviolette des caractéristiques de l'ozone est très forte, vous auriez un espoir de détecter de petites quantités d'ozone. L'ultraviolet peut donc être la meilleure longueur d'onde pour détecter la vie photosynthétique sur les exoplanètes pauvres en oxygène."
La NASA a un prochain observatoire appelé le télescope spatial James Webb qui pourrait effectuer des types de mesures similaires en lumière infrarouge, avec le potentiel de détecter du méthane et de l'oxygène dans les atmosphères des exoplanètes. Le lancement de Webb est actuellement prévu pour 2021.
