Quelque part dans notre galaxie, une exoplanète est probablement en orbite autour d'une étoile plus froide que notre soleil, mais au lieu de geler solidement, la planète pourrait être chaleureuse grâce à un effet de serre causé par le méthane dans son atmosphère.

Les astrobiologistes de la NASA du Georgia Institute of Technology ont développé un nouveau modèle complet qui montre comment la chimie planétaire pourrait y arriver. Le modèle, publié dans une nouvelle étude dans la revue Géosciences de la nature , était basé sur un scénario probable sur Terre il y a trois milliards d'années, et a en fait été construit autour de sa possible chimie géologique et biologique.

Le soleil produisait alors un quart de lumière et de chaleur en moins, mais la Terre est restée tempérée, et le méthane a peut-être sauvé notre planète d'un gel de longue haleine, les scientifiques émettent des hypothèses. Si ce n'était pas le cas, nous et la plupart des autres vies complexes ne serions probablement pas ici aujourd'hui.

Le nouveau modèle combinait de multiples processus métaboliques microbiens avec des processus volcaniques, activités océaniques et atmosphériques, ce qui en fait peut-être le plus complet du genre à ce jour. Mais en étudiant le passé lointain de la Terre, les chercheurs de Georgia Tech ont pointé leur modèle à des années-lumière, vouloir qu'il aide un jour à interpréter les conditions sur les exoplanètes récemment découvertes.

Les chercheurs ont défini les paramètres du modèle de manière large afin qu'ils puissent s'appliquer non seulement à notre propre planète, mais potentiellement aussi à ses frères et sœurs avec leurs différentes tailles, géologies, et formes de vie.

La Terre et ses frères

"Nous avions vraiment un œil sur une utilisation future avec des exoplanètes pour une raison, " a déclaré Chris Reinhard, chercheur principal de l'étude et professeur adjoint à la School of Earth and Atmospheric Sciences de Georgia Tech. "Il est possible que les modèles de méthane atmosphérique que nous explorons pour la Terre primitive représentent des conditions communes aux biosphères de notre galaxie, car ils ne nécessitent pas un stade d'évolution aussi avancé que celui que nous avons ici sur Terre maintenant."

Reinhard et le premier auteur Kazumi Ozaki ont publié leur Géosciences de la nature papier le 11 décembre 2017. La recherche a été soutenue par le programme postdoctoral de la NASA, la Société japonaise pour la promotion de la science, l'Institut d'astrobiologie de la NASA et la Fondation Alfred P. Sloan.

Les modèles précédents ont examiné le mélange de gaz atmosphériques nécessaire pour garder la Terre au chaud malgré l'ancienne faiblesse du soleil, ou étudié des métabolismes microbiens isolés qui auraient pu produire le méthane nécessaire. "En isolement, chaque métabolisme n'a pas fait pour des modèles productifs qui représentaient bien autant de méthane, " a déclaré Reinhard.

Les chercheurs de Georgia Tech ont mis en synergie ces métabolismes microbiens isolés, y compris la photosynthèse ancienne, avec la chimie géologique pour créer un modèle reflétant la complexité de toute une planète vivante. Et la production de méthane du modèle a explosé.

« Il est important de réfléchir aux mécanismes contrôlant les niveaux atmosphériques de gaz à effet de serre dans le cadre de tous les cycles biogéochimiques de l'océan et de l'atmosphère, " a déclaré le premier auteur Ozaki, un assistant postdoctoral.

Carl Sagan et le soleil pâle

Le modèle de Georgia Tech renforce une hypothèse de premier plan qui tente d'expliquer un mystère appelé le "paradoxe du jeune soleil faible" souligné par le regretté astronome Carl Sagan et son collègue de l'Université Cornell George Mullen en 1972.

Les astronomes ont remarqué il y a longtemps que les étoiles brûlaient plus fort à mesure qu'elles mûrissaient et s'affaiblissaient dans leur jeunesse. Ils ont calculé qu'il y a environ deux milliards d'années, notre soleil a dû briller environ 25 % moins qu'aujourd'hui.

Cela aurait été trop froid pour qu'il y ait de l'eau liquide sur Terre, mais paradoxalement, des preuves solides indiquent que l'eau liquide existait. « Sur la base de l'observation des archives géologiques, nous savons qu'il devait y avoir de l'eau liquide, " Reinhard a dit, " et dans certains cas, nous savons que les températures étaient similaires à ce qu'elles sont aujourd'hui, sinon un peu plus chaud."

Sagan et Mullen ont postulé que l'atmosphère terrestre doit avoir créé un effet de serre qui l'a sauvée. À l'époque, ils soupçonnaient que l'ammoniac était à l'œuvre, mais chimiquement, cette idée s'est avérée moins réalisable.

"Le méthane a joué un rôle de premier plan dans cette hypothèse, " a déclaré Reinhard. "Lorsque l'oxygène et le méthane pénètrent dans l'atmosphère, ils s'annulent chimiquement au fil du temps dans une chaîne complexe de réactions chimiques. Parce qu'il y avait extrêmement peu d'oxygène dans l'air à l'époque, cela aurait permis au méthane de s'accumuler à des niveaux beaucoup plus élevés qu'aujourd'hui."

Le fer, et la photosynthèse de la rouille

Au cœur du modèle se trouvent deux types différents de photosynthèse. Mais il y a trois milliards d'années, le type dominant de photosynthèse que nous connaissons aujourd'hui et qui pompe de l'oxygène n'a peut-être même pas encore existé.

Au lieu, deux autres processus photosynthétiques bactériens très primitifs étaient probablement essentiels à l'ancienne biosphère de la Terre. On a transformé le fer de l'océan en rouille, et l'autre hydrogène photosynthétisé en formaldéhyde.

"Le modèle reposait sur de nombreuses activités volcaniques crachant de l'hydrogène, " dit Ozaki. D'autres bactéries ont fermenté le formaldéhyde, et d'autres bactéries, toujours, transforme le produit fermenté en méthane.

Les deux processus photosynthétiques ont servi de ressort de montre au mouvement d'horlogerie du modèle, qui a entraîné 359 réactions biogéochimiques déjà établies à travers la terre, mer et air.

3, 000, 000 courses et méthane déchaîné

Le modèle n'était pas le type de simulation qui produit une animation vidéo de l'ancienne biogéochimie de la Terre. Au lieu, le modèle a analysé mathématiquement les processus, et la sortie était des nombres et des graphiques.

Ozaki a exécuté le modèle plus de 3 millions de fois, paramètres variables, et a constaté que si le modèle contenait les deux formes de photosynthèse fonctionnant en tandem, que 24% des passages ont produit suffisamment de méthane pour créer l'équilibre nécessaire dans l'atmosphère pour maintenir l'effet de serre et conserver l'ancienne Terre, ou peut-être une exoplanète, tempéré.

« Cela se traduit par une probabilité d'environ 24 % que ce modèle produirait un climat chaud sur l'ancienne Terre avec un soleil faible ou sur une exoplanète semblable à la Terre autour d'une étoile plus faible, " a déclaré Reinhard. " D'autres modèles qui ont examiné ces métabolismes photosynthétiques isolément ont des probabilités beaucoup plus faibles de produire suffisamment de méthane pour maintenir le climat au chaud. "

« Nous sommes convaincus que cette approche statistique plutôt unique signifie que vous pouvez apporter les informations de base de ce nouveau modèle à la banque, " il a dit.

D'autres explications du « faible paradoxe du jeune Soleil » ont été plus cataclysmiques et peut-être moins régulières dans leur dynamique. Ils incluent des idées sur les frappes d'astéroïdes de routine qui stimulent l'activité sismique, entraînant ainsi une production accrue de méthane, ou sur le soleil envoyant constamment des éjections de masse coronale à la Terre, le réchauffer.