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Cousins ​​de la Terre: missions à venir pour rechercher des «biosignatures» dans les atmosphères d'exoplanètes

Les scientifiques ont découvert des milliers d'exoplanètes, y compris des dizaines de mondes terrestres – ou rocheux – dans les zones habitables autour de leurs étoiles parentes. Une approche prometteuse pour rechercher des signes de vie sur ces mondes consiste à sonder les atmosphères exoplanètes à la recherche de «biosignatures» – bizarreries dans la composition chimique qui sont des signes révélateurs de la vie. Par exemple, grâce à la photosynthèse, notre atmosphère est composée de près de 21% d’oxygène, un niveau beaucoup plus élevé que prévu étant donné la composition de la Terre, son orbite et son étoile parente.

Trouver des biosignatures n'est pas une tâche simple. Les scientifiques utilisent des données sur la façon dont les atmosphères exoplanètes interagissent avec la lumière de leur étoile parente pour en savoir plus sur leurs atmosphères. Mais les informations, ou spectres, qu'ils peuvent recueillir en utilisant les télescopes terrestres et spatiaux d'aujourd'hui sont trop limités pour mesurer directement les atmosphères ou détecter les biosignatures.

Des chercheurs exoplanètes tels que Victoria Meadows, professeur d'astronomie à l'Université de Washington, se concentrent sur ce que les observatoires à venir, comme le James Webb Space Telescope, ou JWST, pourraient mesurer dans les atmosphères exoplanètes. Le 15 février, lors de la réunion annuelle de l'American Association for the Advancement of Science à Seattle, Meadows, chercheur principal du Virtual Planetary Laboratory de l'UW, prononcera un discours pour résumer le type de données que ces nouveaux observatoires peuvent collecter et ce qu'ils peuvent révéler. sur l'atmosphère des exoplanètes terrestres, semblables à la Terre. Meadows s'est entretenu avec UW News pour discuter de la promesse de ces nouvelles missions pour nous aider à voir les exoplanètes sous un nouveau jour.

Q: Quels sont les changements à venir dans le domaine de la recherche sur les exoplanètes?

au cours des cinq à 10 prochaines années, nous aurons potentiellement notre première chance d'observer l'atmosphère des exoplanètes terrestres. En effet, de nouveaux observatoires devraient être mis en ligne, notamment le télescope spatial James Webb et des observatoires au sol comme le télescope extrêmement grand. Une grande partie de nos travaux récents au Virtual Planetary Laboratory, ainsi que par des collègues d'autres institutions, se sont concentrés sur la simulation de ce que les exoplanètes semblables à la Terre «ressembleront» au JWST et aux télescopes au sol. Cela nous permet de comprendre les spectres que ces télescopes vont capter, et ce que ces données nous diront et ne nous diront pas sur ces atmosphères d'exoplanètes.

Q: Quels types d'atmosphères d'exoplanètes le JWST et d'autres missions seront-ils

Nos cibles sont en fait un groupe sélectionné d'exoplanètes qui sont proches – dans les 40 années-lumière – et orbitent de très petites étoiles fraîches. Pour référence, la mission Kepler a identifié des exoplanètes autour d'étoiles éloignées de plus de 1 000 années-lumière. Les petites étoiles hôtes nous aident également à obtenir de meilleurs signaux sur la composition des atmosphères planétaires, car la fine couche d’atmosphère planétaire peut bloquer davantage la lumière d’une étoile plus petite.

Il y a donc une poignée d'exoplanètes sur lesquelles nous nous concentrons pour rechercher des signes d'habitabilité et de vie. Tous ont été identifiés par des enquêtes au sol comme TRAPPIST et son successeur, SPECULOOS – tous deux dirigés par l'Université de Liège – ainsi que par le projet MEarth dirigé par Harvard. Les exoplanètes les plus connues de ce groupe sont probablement les sept planètes terrestres en orbite autour de TRAPPIST-1. TRAPPIST-1 est une étoile naine M – l'une des plus petites que vous pouvez avoir et être une étoile – et ses sept exoplanètes s'étendent à l'intérieur et au-delà de la zone habitable, avec trois dans la zone habitable.

Nous avons identifié TRAPPIST-1 comme le meilleur système à étudier parce que cette étoile est si petite que nous pouvons obtenir des signaux assez grands et informatifs de l'atmosphère de ces mondes. Ce sont tous des cousins ​​de la Terre, mais avec une étoile parente très différente, il sera donc très intéressant de voir à quoi ressemblent leurs atmosphères.

Q: Qu'avez-vous appris jusqu'à présent sur les atmosphères des exoplanètes TRAPPIST-1?

La communauté astronomique a pris des observations du système TRAPPIST-1, mais nous n'avons rien vu d'autre que des «non-détections». Cela peut encore nous en dire beaucoup. Par exemple, les observations et les modèles suggèrent que ces atmosphères d'exoplanètes sont moins susceptibles d'être dominées par l'hydrogène, l'élément le plus léger. Cela signifie qu'ils n'ont pas du tout d'atmosphères ou qu'ils ont des atmosphères de densité relativement élevée comme la Terre.

Q: Pas d'atmosphères du tout?

Les étoiles naines M ont une histoire très différente de celle de notre propre soleil. Après leur enfance, les étoiles semblables au soleil s'éclaircissent avec le temps lorsqu'elles subissent une fusion.

Les nains M commencent gros et brillants, car ils s'effondrent gravitationnellement à la taille qu'ils auront ensuite pendant la majeure partie de leur vie. Ainsi, les planètes naines M pourraient être soumises à de longues périodes de temps – peut-être un milliard d'années – de luminosité à haute intensité. Cela pourrait dépouiller une planète de son atmosphère, mais l'activité volcanique peut également reconstituer les atmosphères. Sur la base de leurs densités, nous savons que de nombreux mondes TRAPPIST-1 sont susceptibles d'avoir des réservoirs de composés – à des niveaux beaucoup plus élevés que la Terre, en fait – qui pourraient reconstituer l'atmosphère. Les premiers résultats significatifs de JWST pour TRAPPIST-1 seront: Quels mondes ont retenu les atmosphères? Et quels types d'ambiances sont-ils?

Je suis discrètement optimiste quant à l'atmosphère qui règne à cause de ces réservoirs, que nous détectons toujours. Mais je suis prêt à être surpris par les données.

Quels types de signaux le JWST et d'autres observatoires rechercheront-ils dans l'atmosphère des exoplanètes TRAPPIST-1?
Le signal le plus facile à rechercher sera probablement la présence de dioxyde de carbone.

Q: Le CO2 est-il une biosignature?

Pas seul, et pas seulement à partir d'un seul signal. Je dis toujours à mes élèves – regardez à droite, regardez à gauche. Vénus et Mars ont toutes deux des atmosphères avec des niveaux élevés de CO2, mais pas de vie. Dans l'atmosphère terrestre, les niveaux de CO2 s'adaptent à nos saisons. Au printemps, les niveaux diminuent à mesure que les plantes poussent et absorbent le CO2 de l'atmosphère. En automne, les plantes se décomposent et le CO2 augmente. Donc, si vous voyez le cyclisme saisonnier, cela pourrait être une biosignature. Mais les observations saisonnières sont très improbables avec JWST.

Au lieu de cela, JWST peut rechercher une autre biosignature potentielle, le gaz méthane en présence de CO2. Le méthane devrait normalement avoir une courte durée de vie avec du CO2. Donc, si nous détectons les deux ensemble, quelque chose produit probablement activement du méthane. Sur Terre, la majeure partie du méthane de notre atmosphère est produite par la vie.

Q: Qu'en est-il de la détection de l'oxygène?

L'oxygène seul n'est pas une biosignature. Cela dépend de ses niveaux et de ce qu'il y a d'autre dans l'atmosphère. Vous pourriez avoir une atmosphère riche en oxygène suite à la perte d'un océan, par exemple: la lumière divise les molécules d'eau en hydrogène et en oxygène. L'hydrogène s'échappe dans l'espace et l'oxygène s'accumule dans l'atmosphère.

Le JWST ne récupérera probablement pas directement l'oxygène de la photosynthèse oxygénée – la biosphère à laquelle nous sommes habitués actuellement. Le télescope extrêmement grand et les observatoires connexes pourraient le faire, car ils regarderont une longueur d'onde différente de celle du JWST, où ils auront une meilleure chance de voir l'oxygène. Le JWST sera meilleur pour détecter des biosphères similaires à ce que nous avions sur Terre il y a des milliards d'années, et pour différencier les différents types d'atmosphères.

Q: Quels sont les différents types d'atmosphères que TRAPPIST-1 les exoplanètes pourraient posséder?

La phase de haute luminosité du nain M pourrait conduire une planète vers une atmosphère avec un effet de serre galopant, comme Vénus. Comme je l'ai dit plus tôt, vous pourriez perdre un océan et avoir une atmosphère riche en oxygène. Une troisième possibilité est d'avoir quelque chose de plus semblable à la Terre.

Q: Parlons de cette deuxième possibilité. Comment JWST pourrait-il révéler une atmosphère riche en oxygène s'il ne peut pas détecter directement l'oxygène?

La beauté du JWST est qu'il peut capter les processus se produisant dans l'atmosphère d'une exoplanète. Il captera les signatures des collisions entre les molécules d'oxygène, qui se produiront plus souvent dans une atmosphère riche en oxygène. Nous ne pouvons donc probablement pas voir les quantités d'oxygène associées à une biosphère photosynthétique. Mais si une quantité beaucoup plus importante d'oxygène a été laissée par la perte de l'océan, nous pouvons probablement voir les collisions d'oxygène dans le spectre, et c'est probablement un signe que l'exoplanète a perdu un océan.

Il est donc peu probable que le JWST nous fournisse une preuve concluante des biosignatures, mais il peut fournir des indices alléchants, qui nécessitent un suivi plus poussé et – à l'avenir – la réflexion sur de nouvelles missions au-delà du JWST. La NASA envisage déjà de nouvelles missions. Quelles seraient nos capacités?

Cela m'amène également à un point très important: la science des exoplanètes est massivement interdisciplinaire. Comprendre l'environnement de ces mondes nécessite de prendre en compte l'orbite, la composition, l'histoire et l'étoile hôte – et nécessite la contribution d'astronomes, de géologues, de scientifiques de l'atmosphère, de scientifiques stellaires. Il faut vraiment un village pour comprendre une planète.

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Pour plus d'informations, contactez Meadows à meadows@uw.edu.

Contact avec les médias
James Urton
jurton@uw.edu

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