Les planètes de faible masse avec une atmosphère primordiale d'hydrogène et d'hélium pourraient avoir les températures et les pressions qui permettent à l'eau dans la phase liquide. La présence d'eau liquide est favorable à la vie, si bien que ces planètes abritent potentiellement des habitats exotiques pour des milliards d'années. Crédit :© (CC BY-NC-SA 4.0) - Thibaut Roger - Universität Bern - Universität Zürich.
La vie sur Terre a commencé dans les océans. Dans la recherche de la vie sur d'autres planètes, le potentiel de l'eau liquide est donc un ingrédient clé. Pour le trouver, les scientifiques ont traditionnellement recherché des planètes similaires à la nôtre. Pourtant, l'eau liquide à long terme ne doit pas nécessairement se produire dans des circonstances similaires à celles sur Terre. Des chercheurs de l'Université de Berne et de l'Université de Zurich, membres du Pôle de recherche national (NCCR) PlanetS, rendent compte d'une étude publiée dans la revue Nature Astronomy , que des conditions favorables pourraient même se produire pendant des milliards d'années sur des planètes qui ressemblent à peine à notre planète d'origine.
Serres primordiales
"L'une des raisons pour lesquelles l'eau peut être liquide sur Terre est son atmosphère", explique Ravit Helled, co-auteur de l'étude, professeur d'astrophysique théorique à l'Université de Zurich et membre du NCCR PlanetS. "Grâce à son effet de serre naturel, il emprisonne juste la bonne quantité de chaleur pour créer les bonnes conditions pour les océans, les rivières et la pluie", explique le chercheur.
Cependant, l'atmosphère de la Terre était très différente dans son histoire ancienne. "Lorsque la planète s'est formée pour la première fois à partir de gaz et de poussière cosmiques, elle a recueilli une atmosphère composée principalement d'hydrogène et d'hélium, une atmosphère dite primordiale", souligne Helled. Au cours de son développement, cependant, la Terre a perdu cette atmosphère primordiale.
Durée des conditions d'eau liquide pour les planètes sur une large gamme d'axes semi-majeurs (1 au à 100 au) et de masses d'enveloppe (10 −1,8 à 10 −6 M ⊕ ). Les planètes reçoivent une insolation basée sur l'évolution de la luminosité d'une étoile semblable au Soleil. un –c , Masses de base de 1,5 (a ), 3 (b ) et 8 M ⊕ (c ). La durée de l'évolution totale est de 8 Gyr. La couleur d'un point de la grille indique combien de temps il y a eu des pressions de surface continues et des températures permettant à l'eau liquide, τ lqw . Celles-ci vont de 10 Myr (violet) à plus de 5 Gyr (jaune). Les croix grises correspondent aux cas sans conditions d'eau liquide durant plus de 10 Myr. La perte atmosphérique n'est pas considérée dans ces simulations. d , Résultats pour les planètes avec une masse de noyau de 3 M ⊕ , mais avec la contrainte que la température de surface doit rester entre 270 et 400 K. Chaque panneau contient un cas "non lié" où la distance est fixée à 10 6 au et l'ensoleillement est devenu négligeable. Crédit :Astronomie de la nature (2022). DOI :10.1038/s41550-022-01699-8
D'autres planètes plus massives peuvent collecter des atmosphères primordiales beaucoup plus grandes, qu'elles peuvent conserver indéfiniment dans certains cas. "De telles atmosphères primordiales massives peuvent également induire un effet de serre, un peu comme l'atmosphère terrestre actuelle. Nous avons donc voulu savoir si ces atmosphères peuvent aider à créer les conditions nécessaires à l'eau liquide", explique Helled.
De l'eau liquide pendant des milliards d'années
Pour ce faire, l'équipe a minutieusement modélisé d'innombrables planètes et simulé leur développement sur des milliards d'années. Ils représentaient non seulement les propriétés des atmosphères des planètes, mais aussi l'intensité du rayonnement de leurs étoiles respectives ainsi que la chaleur interne des planètes rayonnant vers l'extérieur. Alors que sur Terre, cette chaleur géothermique ne joue qu'un rôle mineur pour les conditions à la surface, elle peut contribuer de manière plus significative sur les planètes aux atmosphères primordiales massives.
"Ce que nous avons découvert, c'est que dans de nombreux cas, les atmosphères primordiales ont été perdues en raison du rayonnement intense des étoiles, en particulier sur les planètes proches de leur étoile. Mais dans les cas où les atmosphères restent, les bonnes conditions pour l'eau liquide peuvent se produire", rapporte Marit Mol Lous, Ph.D. étudiant et auteur principal de l'étude. Selon le chercheur de l'Université de Berne et de l'Université de Zurich, "dans les cas où une chaleur géothermique suffisante atteint la surface, le rayonnement d'une étoile comme le soleil n'est même pas nécessaire pour que prévalent à la surface des conditions permettant l'existence de liquide de l'eau."
"Peut-être plus important encore, nos résultats montrent que ces conditions peuvent persister pendant de très longues périodes, jusqu'à des dizaines de milliards d'années", souligne le chercheur, qui est également membre du PRN PlanetS.
Les planètes avec une atmosphère primordiale d'hydrogène et d'hélium présentent un large éventail de conditions permettant l'eau liquide. Crédit :© (CC BY-NC-SA 4.0) - Thibaut Roger - Universität Bern - Universität Zürich.
Élargir l'horizon de la recherche de vie extraterrestre
"Pour beaucoup, cela peut surprendre. Les astronomes s'attendent généralement à ce que de l'eau liquide se produise dans les régions autour des étoiles qui reçoivent juste la bonne quantité de rayonnement :pas trop, pour que l'eau ne s'évapore pas, et pas trop peu, pour que tout ne se fige pas", explique le co-auteur de l'étude Christoph Mordasini, professeur d'astrophysique théorique à l'Université de Berne et membre du PRN PlanetS.
"Étant donné que la disponibilité d'eau liquide est une condition préalable probable à la vie, et que la vie a probablement mis plusieurs millions d'années à émerger sur Terre, cela pourrait considérablement élargir l'horizon de la recherche de formes de vie extraterrestres. Sur la base de nos résultats, il pourrait même émerger sur des planètes dites flottantes, qui n'orbitent pas autour d'une étoile", explique Mordasini.
Durée des conditions d'eau liquide sur les planètes non liées. Les planètes sont simulées avec différentes masses de noyau et masses d'enveloppe. Les couleurs des points de grille indiquent combien de temps il y a eu des pressions de surface continues et des températures permettant à l'eau liquide, τlqw. La plus longue durée simulée était de 84 milliards d'années pour un 10 M ⊕ noyau et un 0.01 M ⊕ enveloppe. Si les planètes à atmosphère primordiale peuvent héberger de l'eau liquide, la durée peut être beaucoup plus longue sur les planètes non liées puisque la source de chaleur interne peut évoluer plus lentement que l'étoile hôte. Les lignes de contour indiquent le début des conditions d'eau liquide pour les planètes avec τ lqw> 100 Myr. Crédit :Astronomie de la nature (2022). DOI :10.1038/s41550-022-01699-8
Pourtant, le chercheur reste prudent :"Bien que nos résultats soient passionnants, ils doivent être considérés avec des pincettes. Pour que de telles planètes aient de l'eau liquide pendant longtemps, elles doivent avoir la bonne quantité d'atmosphère. Nous ne savons pas comment c'est courant."
"Et même dans les bonnes conditions, on ne sait pas quelle est la probabilité que la vie émerge dans un habitat potentiel aussi exotique. C'est une question pour les astrobiologistes. Pourtant, avec notre travail, nous avons montré que notre idée centrée sur la Terre d'une vie- planète amie est peut-être trop étroite », conclut Mordasini. Comment l'habitabilité des exoplanètes est influencée par leurs roches
