Les planètes extrasolaires sont découvertes à un rythme rapide—4, 531 planètes sur 3, 363 systèmes (avec 7 autres 798 candidats en attente de confirmation). Parmi ceux-ci, 166 ont été identifiées comme des planètes rocheuses (également appelées « semblables à la Terre »), tandis qu'un autre 1, 389 ont été classées comme des planètes rocheuses qui sont plusieurs fois la taille de la Terre ("Super-Terres"). De plus en plus de découvertes sont faites, l'attention des astronomes se déplace du processus de découverte vers la caractérisation.

Afin de quantifier si l'une de ces exoplanètes est habitable, les astronomes et les astrobiologistes cherchent des moyens de détecter des biomarqueurs et d'autres signes de processus biologiques. Selon une nouvelle étude, les indications d'un cycle carbone-silicate pourraient être la clé. Sur Terre, ce cycle garantit que notre climat reste stable pendant des éons, et cela pourrait être la clé pour trouver la vie sur d'autres planètes.

L'étude, intitulé "Cycle du carbone et habitabilité des exoplanètes massives semblables à la Terre, " a été dirigé par Amanda Kruijver, Dennis Höning, et Wim van Westrenen—trois scientifiques de la Terre avec la Vrije Universiteit Amsterdam. Höning est également membre de l'Origins Center, un institut scientifique national basé aux Pays-Bas engagé à rechercher les origines et l'évolution de la vie dans notre Univers. Leur étude a récemment été publiée dans Le Journal des sciences planétaires .

Sur Terre, ce cycle en deux étapes garantit que le dioxyde de carbone (CO 2 ) les niveaux dans notre atmosphère restent relativement constants dans le temps. Dans la première étape, le dioxyde de carbone est éliminé de notre atmosphère en réagissant avec la vapeur d'eau pour former de l'acide carbonique, qui altère et dissout la roche silicatée. Les produits de cette altération sont lavés dans les océans, créant une roche carbonatée qui s'enfonce dans le fond marin et devient une partie du manteau terrestre.

C'est là qu'intervient la deuxième étape. Une fois dans le manteau, les roches carbonatées sont fondues pour créer du magma de silicate et du CO 2 gaz, ce dernier est relâché dans l'atmosphère par les éruptions volcaniques. Comme le Dr Höning l'a expliqué à Universe Today par e-mail, le processus est également affecté par les changements des conditions de surface :

" Surtout, la vitesse de ce processus dépend de la température de surface :si la surface devient plus chaude, les réactions d'altération s'accélèrent, et plus de CO 2 peut être retiré de l'atmosphère. Depuis CO 2 est un gaz à effet de serre, ce mécanisme refroidit la surface, nous avons donc un retour stabilisateur. Force est de constater que ce retour d'expérience stabilisant a besoin de temps pour être efficace, de l'ordre de centaines de milliers d'années voire de millions d'années."

Une considération clé est de savoir comment le soleil s'est réchauffé avec le temps, ajouta le Dr Höning. Par rapport à l'histoire primitive de la Terre, notre planète reçoit maintenant environ 30 % d'énergie en plus du Soleil, c'est pourquoi le CO atmosphérique 2 les niveaux étaient plus élevés dans un passé lointain. Par conséquent, il est sûr de dire que l'altération devient plus prononcée à mesure qu'une planète vieillit et que le CO atmosphérique 2 les niveaux baisseront à un rythme croissant à ce stade de leur évolution.

Puisqu'il s'agit d'un processus chimique simple, il n'y a aucune raison de penser qu'un cycle carbone-silicate ne pourrait pas fonctionner sur d'autres planètes, à condition qu'elles aient de l'eau liquide à leur surface. Pour les chercheurs d'exoplanètes et les astrobiologistes, la présence d'eau liquide a été essentielle à la recherche continue de vie extraterrestre. La question de la tectonique des plaques a également été soulevée car elle joue un rôle important dans le maintien de l'habitabilité de la Terre dans le temps. Le Dr Höning a déclaré :

"Dans notre propre système solaire, seule la planète Terre a une tectonique des plaques et donc une subduction. La raison de ceci n'est pas tout à fait claire et sujette à des études modernes - cela a probablement à voir avec la composition de la roche, taille de la planète, température de surface, ou avec l'existence d'eau liquide à la surface elle-même.

"Si nous avions des intempéries sur une exoplanète mais pas de subduction, les carbonates produits s'accumuleraient à la surface et pourraient redevenir instables après des millions d'années. Nous avons exploré ce scénario dans des travaux antérieurs et avons constaté que le climat serait toujours régulé dans une certaine mesure, bien qu'un peu moins efficace qu'avec la tectonique des plaques comme supposé dans le présent article. »

Le Dr Höning et ses collègues ne sont pas seuls lorsqu'il s'agit de déterminer si la tectonique des plaques et l'activité géologique sont essentielles à la vie. Dans les années récentes, des recherches similaires ont été menées qui ont examiné si les planètes à couvercles stagnants (où la surface et le manteau sont constitués d'une plaque inactive) recouvertes d'océans pourraient encore avoir un cycle du carbone, avec des résultats encourageants.

Pour le plaisir de leur étude, Le Dr Höning et ses collègues ont cherché à déterminer si un cycle carbone-silicate serait possible sur d'autres planètes rocheuses allant de « semblables à la Terre » à « Super-Terres ». À cette fin, ils ont créé un modèle reproduisant le cycle carbonate-silicate de la Terre et prenant en compte tous les processus pertinents, y compris l'évolution intérieure, dégazage volcanique, érosion, et la subduction. Ils ont ensuite examiné comment le modèle pourrait être sensible aux changements de taille et de masse.

"Par exemple, la pression au sein des planètes massives augmente plus fortement avec la profondeur puisque la gravité est plus élevée, " a déclaré le Dr Höning. " La pression a un effet sur la profondeur de fusion et aussi sur la force de la convection du manteau, qui détermine le taux de refroidissement intérieur. Nous avons donc mis à jour toutes les parties du modèle qui sont sensibles à la taille ou à la masse de la planète et pourraient donc explorer l'influence de ces paramètres sur l'habitabilité des exoplanètes."

Ce qu'ils ont découvert, c'est qu'une augmentation de la masse (jusqu'à un certain point) entraînerait des températures de surface moyennes plus élevées, modifiant ainsi ce qui serait considéré comme la zone habitable circumsolaire de la planète (également connue sous le nom de "zone Boucle d'or"). Le Dr Höning a déclaré :

"Nous avons découvert que les exoplanètes de l'âge de la Terre mais environ 3 fois plus massives devraient avoir des taux de dégazage volcaniques plus élevés, car leur intérieur est beaucoup plus chaud et la convection du manteau est donc plus vigoureuse. Le cycle carbonate-silicate peut encore réguler le climat sur ces planètes, néanmoins nous nous attendons à une surface plus chaude. Par conséquent, la distance optimale entre la planète et l'étoile afin de maintenir l'eau liquide à la surface de la planète est un peu plus éloignée que la distance de la Terre au Soleil."

Cependant, les résultats ont été inverses lorsqu'ils ont augmenté la masse d'une planète rocheuse jusqu'à 10 fois celle de la Terre (ce qui correspond à ~2 rayons terrestres). "Ici, la pression à l'intérieur de ces planètes est si grande que l'activité volcanique et le dégazage de CO 2 devient plus petit, " dit-il. " Cependant, puisque la chaleur de leur intérieur n'est pas perdue aussi efficacement, dégazage de CO 2 devient particulièrement efficace dans l'évolution ultérieure. Malheureusement, la luminosité stellaire augmente également avec le temps, la planète pourrait alors devenir trop chaude pour qu'il y ait de l'eau liquide."

Il y a beaucoup à retenir de ces résultats. Pour un, l'étude démontre que la taille et la masse sont des paramètres importants pour l'habitabilité planétaire. À la fois, la taille et la masse sont parmi les très rares paramètres auxquels les scientifiques ont accès en ce moment. Comme pour les moyens de détection disponibles - la méthode de transit, par exemple, est très bon pour contraindre ces deux propriétés - les scientifiques sont quelque peu limités par des moyens indirects et doivent s'appuyer sur des extrapolations et des modélisations.

Cependant, ces deux paramètres sont toujours très utiles pour déterminer quels types de planètes rocheuses pourraient être habitables et lesquelles ne sont pas susceptibles de soutenir la vie. Quoi de plus, ils montrent comment l'âge et la masse d'une planète jouent un rôle important dans le maintien d'un cycle du carbone, et donc l'habitabilité de la planète. En considérant ces facteurs ensemble, les scientifiques pourront dire si une planète est "potentiellement habitable avec plus de confiance". Comme le résume le Dr Höning :

"L'une des principales conclusions de notre article est que nous devrions vraiment examiner la combinaison de la taille et de l'âge de la planète pour avoir une idée de l'habitabilité. Les planètes de la taille de la Terre devraient être habitables pendant une très longue période, mais leurs atmosphères sont bien sûr plus difficiles à caractériser que pour les planètes plus grandes. Les planètes de 3 fois la masse terrestre (recevant le même flux stellaire) devraient avoir une surface plus chaude que la Terre (différence ~10K). Des planètes encore plus massives recevant le même flux stellaire sont un peu plus froides, mais s'échaufferaient considérablement plus tard dans leur évolution."

Quoi de plus, cette étude sera bénéfique lorsque les télescopes de nouvelle génération seront disponibles et pourront effectuer des observations directes d'exoplanètes. C'est quelque chose que les astronomes attendent du prochain télescope spatial James Webb (JWST), le télescope spatial romain Nancy Grace, et des observatoires au sol comme l'Extremely Large Telescope (ELT), le télescope géant de Magellan (GMT), et le télescope de trente mètres (TMT).

En observant directement la lumière réfléchie par l'atmosphère d'une exoplanète, les astronomes obtiendront des spectres révélant la composition chimique de l'atmosphère. Cette recherche pourrait être utilisée pour de futures études pour placer la détection du CO atmosphérique 2 dans son propre contexte. En bref, les astrobiologistes détermineront s'il s'agit d'une indication d'activité géologique et peut donc être interprété comme une indication possible d'habitabilité.

Un autre aspect encourageant de l'étude est que même lorsqu'il s'agit de planètes rocheuses de masses et de tailles variables, le cycle carbonate-silicate reste un régulateur efficace du climat. Si les scientifiques détectent des preuves de ce cycle sur les exoplanètes, ils peuvent être assurés que cela indique une habitabilité potentielle, peu importe la taille de la planète. "Donc, nous pouvons rester optimistes quant à la découverte de vie extraterrestre à l'avenir », a déclaré le Dr Höning.