Webb pourrait voir des biosignatures sur des planètes lointaines

Vue d’artiste de TRAPPIST-1e, une exoplanète rocheuse située dans la zone habitable d’une étoile à 40 années-lumière de la Terre. Il peut y avoir de l’eau et des nuages, comme illustré ici. Les astronomes utilisant Webb espèrent détecter des biosignatures qui indiquent l’existence de la vie sur d’autres mondes. Image via Wikimedia Commons.

Par Chris Impey, Université de l’Arizona et Daniel Apai, Université de l’Arizona

Les ingrédients nécessaires à la vie sont répartis dans tout l’univers. Bien que la Terre soit le seul endroit connu de l’univers qui abrite la vie, la détection de la vie au-delà de la Terre est un objectif majeur de l’astronomie moderne et de la science planétaire.

Nous sommes deux scientifiques qui étudient les exoplanètes et l’astrobiologie. Grâce en grande partie aux télescopes de nouvelle génération comme le James Webb, des scientifiques comme nous pourront bientôt mesurer la composition chimique des atmosphères des planètes autour d’autres étoiles. Espérons qu’une ou plusieurs de ces planètes auront des signes de vie chimique.

Un diagramme montrant les bandes vertes autour des étoiles et des deux planètes intérieures.
Il existe de nombreuses exoplanètes connues dans les zones habitables – pas en orbite trop près d’une étoile pour que l’eau s’évapore, mais pas trop loin pour que la planète soit gelée – marquées en vert pour le système solaire et le système stellaire Kepler-186 et ses planètes. marqués b, c, d, e et f. Image via NASA Ames/ SETI Institute/ JPL-Caltech/ Wikimedia Commons.

Exoplanètes habitables

La vie peut exister dans le système solaire où l’eau liquide est présente, comme dans l’aquifère souterrain sur Mars ou dans les océans de la lune Europa de Jupiter. Cependant, trouver de la vie dans ces endroits est incroyablement difficile. Ils sont difficiles d’accès et la détection de la vie nécessiterait l’envoi d’une sonde pour restituer des échantillons physiques.

De nombreux astronomes pensent qu’il existe une forte probabilité que des planètes orbitent autour d’autres étoiles. Il est possible que la vie s’y trouve en premier.

Les calculs théoriques montrent qu’il y a environ 300 millions de planètes potentiellement habitables dans la seule galaxie de la Voie lactée. Les calculs montrent également qu’il existe plusieurs planètes habitables de la taille de la Terre dans un rayon de seulement 30 années-lumière de la Terre. Ce sont essentiellement les voisins galactiques de l’humanité. Jusqu’à présent, les astronomes ont découvert plus de 5 000 exoplanètes, dont des centaines d’exoplanètes potentiellement habitables, en utilisant des méthodes indirectes qui mesurent comment une planète affecte son étoile proche. Ces mesures peuvent renseigner les astronomes sur la masse et la taille de l’exoplanète, mais pas grand-chose d’autre.

Un graphique montrant deux lignes avec deux pics dans les longueurs d'onde bleue et rouge.
Chaque matériau absorbe la lumière d’une certaine longueur d’onde. Ce diagramme montre la chlorophylle absorbant les longueurs d’onde de la lumière. Image via Daniele Pugliesi/Wikimedia Commons.

Recherche de biosignatures à l’aide de Webb

Pour détecter la vie sur une planète lointaine, les astrobiologistes étudient la lumière des étoiles qui a interagi avec la surface ou l’atmosphère de la planète. Si la vie a changé l’atmosphère ou la surface, la lumière peut contenir un indice appelé biosignature.

Pendant la première moitié de son existence, l’atmosphère terrestre était dépourvue d’oxygène, bien qu’elle ait eu une vie unicellulaire simple. La biosignature de la Terre était très faible à cette époque précoce. Puis, il y a 2,4 milliards d’années, une nouvelle famille d’algues a évolué. Les algues ont utilisé le processus de la photosynthèse, qui produit de l’oxygène libre qui n’est lié chimiquement à aucun autre élément. Depuis lors, l’atmosphère terrestre remplie d’oxygène a laissé une biosignature de lumière forte et facilement détectable.

Lorsque la lumière rebondit sur la surface d’un matériau ou traverse un gaz, certaines longueurs d’onde sont plus susceptibles d’être piégées à la surface du gaz ou du matériau. Ce piégeage sélectif des longueurs d’onde lumineuses est la raison pour laquelle les objets ont des couleurs différentes. Les feuilles sont vertes car la chlorophylle absorbe particulièrement bien les longueurs d’onde rouges et bleues de la lumière. Cela laisse une lumière principalement verte dans vos yeux.

La composition spécifique du matériau avec lequel la lumière interagit détermine le modèle de lumière manquante. Par conséquent, les astronomes peuvent apprendre quelque chose sur la composition de l’atmosphère ou de la surface d’une exoplanète en mesurant essentiellement la couleur spécifique de la lumière provenant de la planète.

Les astronomes reconnaissent la présence de certains gaz atmosphériques associés à la vie, comme l’oxygène ou le méthane, car ils laissent des signatures très spécifiques dans la lumière. Il peut également être utilisé pour détecter des couleurs particulières à la surface de la planète. Par exemple, sur Terre, la chlorophylle et d’autres pigments que les plantes et les algues utilisent pour la photosynthèse piègent certaines longueurs d’onde de la lumière. Ces pigments produisent des couleurs caractéristiques que les caméras infrarouges sensibles peuvent détecter. Voir cette couleur se refléter sur la surface d’une planète lointaine indiquerait potentiellement la présence de chlorophylle.

Entrez dans le télescope Webb

La détection de ces changements subtils de lumière d’une exoplanète potentiellement habitable nécessite un télescope incroyablement puissant. À ce jour, le seul télescope capable d’un tel exploit est le nouveau télescope spatial James Webb. Lorsque James Webb a commencé ses recherches en juillet 2022, il a lu le spectre de l’exoplanète géante gazeuse WASP-96b. Le spectre a montré la présence d’eau et de nuages. Mais il est peu probable qu’une planète aussi grande et chaude que WASP-96b abrite la vie.

Mais ces premières données montrent que James Webb est capable de détecter de faibles signatures chimiques de la lumière des exoplanètes. Dans les mois à venir, Webb prévoit de tourner ses miroirs vers TRAPPIST-1e, une planète potentiellement habitable de la taille de la Terre à seulement 39 années-lumière de la Terre.

Webb peut rechercher des biosignatures en étudiant les planètes lorsqu’elles passent devant leurs étoiles hôtes. Il peut capturer la lumière des étoiles qui filtre à travers l’atmosphère de la planète. Mais le but de Webb n’était pas de chercher la vie. Ainsi, le télescope ne peut étudier que certains des mondes potentiellement habitables les plus proches. Il ne peut également détecter que les changements dans les niveaux atmosphériques de dioxyde de carbone, de méthane et de vapeur d’eau. Bien que certaines combinaisons de ces gaz puissent indiquer la vie, Webb est incapable de détecter la présence d’oxygène non lié, le signal le plus fort pour la vie.

Un miroir doré hexagonal géant dans un laboratoire composé d'hexagones dorés.
Le télescope spatial James Webb est le premier télescope capable de détecter les signatures chimiques des exoplanètes. Image via NASA/Wikimedia Commons.

Autres télescopes

Les principaux concepts de futurs télescopes spatiaux encore plus puissants incluent des plans visant à bloquer la lumière brillante de l’étoile hôte d’une planète pour révéler la lumière des étoiles réfléchie par la planète. Cette idée est similaire à bloquer la lumière du soleil avec votre main pour mieux voir quelque chose au loin. Les futurs télescopes spatiaux pourraient utiliser de petits masques internes ou de grands engins spatiaux externes en forme de parapluie pour ce faire. Lorsque les astronomes bloquent la lumière des étoiles, il devient beaucoup plus facile d’étudier la lumière qui rebondit sur la planète.

Il existe également trois énormes télescopes au sol actuellement en construction qui peuvent rechercher des biosignatures. Le premier est le télescope géant de Magellan, puis le télescope de trente mètres et enfin le très grand télescope européen. Chacun d’eux est beaucoup plus puissant que les télescopes existants sur Terre. Bien que l’atmosphère terrestre déforme la lumière des étoiles, ces télescopes pourraient être capables de sonder les atmosphères des mondes proches à la recherche d’oxygène.

Une vache et son veau debout dans un champ.
Les animaux, y compris les vaches comme celle-ci avec un veau, produisent du méthane, mais il en va de même pour de nombreux processus géologiques. Image via Jernej Furman / Wikimedia Commons.

Est-ce la biologie ou la géologie ?

Même avec les télescopes les plus puissants des décennies à venir, les astrobiologistes ne peuvent détecter de fortes biosignatures que dans des mondes qui ont été complètement modifiés par la vie.

Malheureusement, la plupart des gaz libérés par la vie sur Terre peuvent également avoir une source non biologique. Les vaches et les volcans émettent du méthane. La photosynthèse produit de l’oxygène, mais la lumière du soleil aussi lorsqu’elle divise les molécules d’eau en oxygène et en hydrogène. Il y a de fortes chances que les astronomes découvrent des faux positifs dans leur recherche de vie lointaine. Pour exclure les faux positifs, les astronomes doivent comprendre si les processus géologiques ou atmosphériques d’une planète peuvent imiter une biosignature.

La prochaine génération de recherches sur les exoplanètes a le potentiel de dépasser la barre des preuves extraordinaires nécessaires pour prouver l’existence de la vie. La première publication de données du télescope spatial James Webb nous donne un aperçu des progrès passionnants à venir.Une conversation

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article d’origine.

Conclusion : Les astronomes espèrent utiliser le télescope spatial James Webb pour détecter des biosignatures — des signes de vie — dans les atmosphères de planètes lointaines.

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