Une meilleure façon consiste à déterminer quels biomarqueurs étaient présents dans l'atmosphère terrestre à différents stades de son évolution et à juger les autres planètes sur cette base.

C’est ce qu’a fait un groupe de chercheurs du Royaume-Uni et des États-Unis. Leur recherche est intitulée « La Terre primitive comme analogue de la biogéochimie exoplanétaire » et apparaît sur le serveur de pré-impression arXiv. . L'auteur principal est Eva E. Stüeken, titulaire d'un doctorat. étudiant à l'École des sciences de la Terre et de l'environnement, Université de St Andrews, Royaume-Uni.

Lorsque la Terre s’est formée il y a environ 4,5 milliards d’années, son atmosphère n’avait rien à voir avec celle d’aujourd’hui. A cette époque, l’atmosphère et les océans étaient anoxiques. Il y a environ 2,4 milliards d'années, l'oxygène libre a commencé à s'accumuler dans l'atmosphère lors du Grand événement d'oxygénation, l'une des périodes déterminantes de l'histoire de la Terre. Mais l'oxygène provenait de la vie elle-même, ce qui signifie que la vie était présente lorsque l'atmosphère terrestre était très différente.

Ce n’est pas le seul exemple de la façon dont l’atmosphère terrestre a changé au cours des temps géologiques. Mais c'est une question instructive qui montre pourquoi la recherche de la vie signifie plus que la simple recherche d'une atmosphère comme celle de la Terre moderne. Si c'était ainsi que nous menions nos recherches, nous passerions à côté de mondes où la photosynthèse n'était pas encore apparue.

Dans leurs recherches, les auteurs soulignent comment la Terre a hébergé une population riche et évolutive de microbes dans différentes conditions atmosphériques pendant des milliards d'années.

"Pendant la majeure partie de cette période, la Terre a été habitée par une biosphère purement microbienne, bien qu'avec une complexité apparemment croissante au fil du temps", écrivent les auteurs. "Un riche enregistrement de cette évolution géobiologique sur la majeure partie de l'histoire de la Terre fournit ainsi un aperçu de la détectabilité à distance de la vie microbienne dans diverses conditions planétaires."

Ce n'est pas seulement la vie qui a changé avec le temps. La tectonique des plaques a changé et est peut-être depuis longtemps une tectonique du « couvercle stagnant ». Dans la tectonique des couvercles stagnants, les plaques ne se déplacent pas horizontalement. Cela peut avoir des conséquences sur la chimie atmosphérique.

Le point principal est que l’atmosphère terrestre ne reflète pas la nébuleuse solaire dans laquelle la planète s’est formée. De multiples processus entrelacés ont modifié l’atmosphère au fil du temps. La recherche de la vie implique non seulement une meilleure compréhension de ces processus, mais aussi la manière d'identifier à quel stade pourraient se trouver les exoplanètes.

Il va de soi que les processus biologiques peuvent avoir un effet considérable sur l’atmosphère planétaire. "Sur la Terre moderne, la composition atmosphérique est très fortement contrôlée par la vie", écrivent les chercheurs. "Cependant, toute biosignature atmosphérique potentielle doit être démêlée du contexte de processus abiotiques (géologiques et astrophysiques) qui contribuent également aux atmosphères planétaires et domineraient sur les mondes sans vie et sur les planètes avec une très petite biosphère."

Les auteurs décrivent ce qu'ils considèrent comme les leçons les plus importantes que la Terre primitive peut nous enseigner sur la recherche de la vie.

La première est que la Terre a connu trois atmosphères différentes au cours de sa longue histoire. Le premier provenait de la nébuleuse solaire et a été perdu peu de temps après la formation de la planète. C'est l'atmosphère principale. Le second s'est formé à partir d'un dégazage provenant de l'intérieur de la planète.

Le troisième, l’atmosphère moderne de la Terre, est complexe. C'est un exercice d'équilibre impliquant la vie, la tectonique des plaques, le volcanisme et même l'évasion atmosphérique. Une meilleure compréhension de l'évolution de l'atmosphère terrestre au fil du temps permet aux chercheurs de mieux comprendre ce qu'ils voient dans l'atmosphère des exoplanètes.

La seconde est que plus nous regardons loin dans le temps, plus les archives rocheuses des débuts de la vie sur Terre sont altérées ou détruites. Nos meilleures preuves suggèrent que la vie était présente il y a 3,5 milliards d’années, peut-être même il y a 3,7 milliards d’années. Si tel est le cas, la première vie a peut-être existé sur un monde couvert d'océans, sans masse continentale et uniquement avec des îles volcaniques.

S'il y avait eu une activité volcanique et géologique abondante il y a 3,5 à 3,7 milliards d'années, il y aurait eu d'importants flux de CO₂ et H₂ . Puisqu'il s'agit de substrats pour la méthanogenèse, le méthane pourrait alors être abondant dans l'atmosphère et détectable.

La troisième leçon soulignée par les auteurs est qu’une planète peut héberger une vie produisant de l’oxygène pendant longtemps avant que l’oxygène puisse être détecté dans une atmosphère. Les scientifiques pensent que la photosynthèse oxygénée est apparue sur Terre au milieu de l’Archéen. L'Archéen s'étendait il y a 4 à 2,5 milliards d'années, donc l'Archéen moyen se situe il y a environ 3,25 milliards d'années. Mais l'oxygène ne pouvait pas s'accumuler dans l'atmosphère jusqu'au grand événement d'oxygénation, il y a environ 2,4 milliards d'années.

L'oxygène est un biomarqueur puissant, et s'il était trouvé dans l'atmosphère d'une exoplanète, cela susciterait l'enthousiasme. Mais la vie sur Terre existait depuis longtemps avant que l'oxygène atmosphérique ne soit détectable.

La quatrième leçon concerne l’apparition de la tectonique des plaques horizontales et ses effets sur la chimie. "À partir du GOE, la Terre ressemblait tectoniquement à ce qu'elle est aujourd'hui", écrivent les auteurs. Les océans étaient probablement stratifiés en une couche anoxique et une couche superficielle oxygénée. Cependant, l’activité hydrothermale a constamment introduit du fer ferreux dans les océans. Cela a augmenté les niveaux de sulfate dans l’eau de mer, ce qui a réduit le méthane dans l’atmosphère. Sans ce méthane, la biosphère terrestre aurait été beaucoup moins détectable.

"La planète Terre a évolué au cours des 4,5 derniers milliards d'années, passant d'une planète entièrement anoxique avec peut-être un régime tectonique différent au monde oxygéné avec la tectonique des plaques horizontales que nous connaissons aujourd'hui", expliquent les auteurs. Toute cette évolution complexe a permis à la vie d'apparaître et de se développer, mais elle rend également plus compliquée la détection de biosphères antérieures sur les exoplanètes.

Nous sommes extrêmement désavantagés dans la recherche de la vie sur les exoplanètes. Nous pouvons littéralement creuser dans les roches anciennes de la Terre pour tenter de démêler la longue histoire de la vie sur Terre et la façon dont l'atmosphère a évolué au fil des milliards d'années. Lorsqu’il s’agit d’exoplanètes, nous ne disposons que de télescopes. Des télescopes de plus en plus puissants, mais des télescopes quand même. Alors que nous commençons à explorer notre propre système solaire, en particulier Mars et les séduisantes lunes océaniques en orbite autour des géantes gazeuses, d'autres systèmes solaires sont hors de notre portée physique.

"Nous devons plutôt reconnaître à distance la présence de biosphères extraterrestres et caractériser leurs cycles biogéochimiques dans des spectres planétaires obtenus avec de grands télescopes au sol et dans l'espace", écrivent les auteurs. "Ces télescopes peuvent sonder la composition atmosphérique en détectant les caractéristiques d'absorption associées à des gaz spécifiques." Sonder les gaz atmosphériques est actuellement notre approche la plus puissante, comme le montre le JWST.

Mais à mesure que les scientifiques disposeront de meilleurs outils, ils commenceront à aller au-delà de la chimie atmosphérique. "Nous pourrions également être capables de reconnaître des caractéristiques de surface à l'échelle mondiale, notamment l'interaction de la lumière avec les pigments photosynthétiques et le "reflet" résultant de la réflexion spéculaire de la lumière par un océan liquide."

Comprendre ce que nous observons dans l’atmosphère des exoplanètes est parallèle à notre compréhension de la longue histoire de la Terre. La Terre pourrait être la clé de notre recherche élargie et accélérée de la vie.

"Démêler les détails de l'histoire biogéochimique complexe de la Terre et sa relation avec les signaux spectraux observables à distance est une considération importante pour la conception d'instruments et notre propre recherche de la vie dans l'univers", écrivent les auteurs.