Les futurs historiens pourraient revenir sur cette époque et l’appeler “l’ère des exoplanètes”. Nous avons trouvé plus de 5 000 exoplanètes et nous continuerons à en trouver d’autres. Ensuite, nous irons au-delà de leur simple découverte et nous concentrerons nos efforts sur la recherche de biosignatures, les empreintes chimiques spéciales que les processus vivants impriment sur les atmosphères des exoplanètes.
Mais les biosignatures ne se limitent pas à la chimie atmosphérique. Sur une planète avec beaucoup de vie végétale, la lumière peut aussi être une biosignature.
La recherche de biosignatures sur les exoplanètes a reçu un regain d’énergie lorsque le télescope spatial James Webb a commencé ses observations. L’un des objectifs scientifiques du télescope est de caractériser les atmosphères des exoplanètes grâce à sa puissante spectrométrie infrarouge. Si Webb trouve de grandes quantités d’oxygène, par exemple, cela indique que des processus biologiques pourraient être à l’œuvre et modifier l’atmosphère d’une planète. Mais le JWST et d’autres télescopes pourraient détecter un autre type de biosignature.
La vie végétale abondante de la Terre modifie la « signature lumineuse » de notre planète. Le changement est basé sur la photosynthèse et sur la façon dont la vie végétale absorbe certaines fréquences lumineuses tout en en reflétant d’autres. Le phénomène qui en résulte est appelé bordure rouge végétation (ERV.)
Les scientifiques de l’exoplanète travaillent depuis quelques années sur l’idée du VRE comme biosignature. Il est basé sur le fait que la chlorophylle absorbe la lumière dans la partie visible du spectre et est presque transparente dans l’infrarouge. D’autres structures cellulaires de la végétation réfléchissent l’infrarouge. Cela aide les plantes à éviter la surchauffe pendant la photosynthèse. Cette absorption et cette réflexion permettent à la télédétection d’évaluer la santé, la couverture et l’activité des plantes, et les agronomes l’utilisent pour surveiller les cultures.
Dans un nouvel article, une équipe de chercheurs s’est penchée sur la chlorophylle et sa fluorescence induite par le soleil (SIF). SIF est le nom du signal électromagnétique émis par la chlorophylle un, la molécule de chlorophylle la plus répandue. Une partie de l’énergie absorbée par la chlorophylle un n’est pas utilisé pour la photosynthèse mais est émis à des longueurs d’onde plus longues sous la forme d’un spectre à deux pics. Il couvre à peu près la gamme spectrale 650–850 nm.
L’article s’intitule “Photosynthetic Fluorescence from Earth-Like Planets around Sun-Like and Cool Stars”, et il sera publié dans The Astrophysical Journal. L’auteur principal est Yu Komatsu, chercheur au National Institutes of Natural Sciences Astrobiology Center, National Astronomical Observatory of Japan.
L’article se concentre sur la façon dont la fluorescence de la chlorophylle pourrait être détectée sur des planètes similaires à la Terre. “Cette étude a examiné la détectabilité de la fluorescence biologique de deux types de pigments photosynthétiques, les chlorophylles (Chls) et les bactériochlorophylles (BChls), sur des planètes semblables à la Terre avec des atmosphères riches/pauvres en oxygène et anoxiques autour du Soleil et des naines M”, les auteurs Explique.
Détecter la présence de chlorophylle sur un autre monde est compliqué. Il existe une interaction complexe entre la vie végétale, la lumière des étoiles, la couverture terrestre/océanique et la composition atmosphérique. Cette étude fait partie d’un effort continu pour comprendre certaines des limites de la détection et ce que les données spectroscopiques peuvent dire aux scientifiques sur les exoplanètes. Au fil du temps, les scientifiques des exoplanètes veulent déterminer quelles détections peuvent être des biosignatures dans différentes circonstances.
L’ERV est une chute brutale de la lumière observée entre l’infrarouge et la lumière visible. La lumière dans le proche infrarouge (à partir d’environ 800 nm) est beaucoup plus brillante que la lumière dans l’optique (entre environ 350 et 750 nm). Sur Terre, c’est la signature lumineuse de la vie végétale et de sa chlorophylle. La chlorophylle absorbe la lumière jusqu’à 750 nm, et les autres tissus végétaux réfléchissent la lumière au-dessus de 750 nm.
Des satellites comme Terra de la NASA peuvent observer différentes régions de la surface de la Terre au fil du temps et observer comment la réflectance de la lumière change. Les scientifiques mesurent ce qu’on appelle l’indice de végétation par différence normalisée (NVDI). Un emplacement forestier dense pendant la haute saison de croissance donne des valeurs maximales pour le NDVI, tandis que les régions pauvres en végétation donnent des valeurs faibles.
Les scientifiques peuvent également observer Earthshine, la lumière réfléchie de la Terre sur la Lune. Cette lumière est l’intégralité de la lumière réfléchie par la Terre, ce que les scientifiques appellent une spectre moyenné sur disque. “Alors que la télédétection observe des zones locales sur Terre, les observations Earthshine fournissent des spectres moyennés sur disque de la Terre, conduisant à des informations fructueuses sur les applications des exoplanètes”, écrivent les auteurs. “Le changement de réflectance apparente dans le spectre moyen du disque de la Terre dû à la végétation de surface est inférieur à 2%.”
Le Earthshine que nous voyons sur la Lune est similaire à la lumière que nous détectons des exoplanètes lointaines. C’est la totalité de la lumière par rapport à la lumière de surface régionale. Mais il y a une énorme complexité dans l’étude de cette lumière, et il n’y a pas de comparaisons faciles entre la Terre et les exoplanètes. “Les signaux VRE des exoplanètes autour d’étoiles autres qu’une étoile semblable au Soleil sont difficiles à prédire en raison de la complexité des mécanismes photosynthétiques dans différents environnements lumineux”, expliquent les auteurs. Mais il est toujours utile de rechercher un VRE sur des exoplanètes. Si les scientifiques observent fréquemment une exoplanète, ils peuvent être en mesure de reconnaître comment le VRE change de façon saisonnière, et ils peuvent reconnaître une étape similaire à celle du VRE dans la spectroscopie de la planète, bien qu’elle puisse être à des longueurs d’onde différentes de celles de la Terre.
Dans leur article, les chercheurs ont considéré une planète semblable à la Terre à différents stades de l’évolution atmosphérique. Dans chaque cas, les planètes tournaient autour du Soleil, une naine rouge bien étudiée nommée Gliese 667 C, ou la naine rouge encore plus connue TRAPPIST-1. (Les deux naines rouges ont des planètes dans leurs zones habitables et représentent toutes deux des types communs de naines rouges.) Ils ont modélisé la réflectance de chaque cas pour la chlorophylle végétale, la végétation à base de chlorophylle bactérienne et la fluorescence biologique sans aucune végétation de surface.
Ce qu’ils ont proposé est une collection de courbes de lumière qui montre à quoi pourraient ressembler différents VRE sur des exoplanètes semblables à la Terre à différents stades de l’évolution atmosphérique autour de différentes étoiles. Il est important d’examiner les différentes étapes de l’évolution atmosphérique, car l’atmosphère terrestre est passée de pauvre en oxygène à riche en oxygène lorsque la vie était présente.
“Nous avons considéré les émissions de fluorescence de la végétation à base de Chl et BChl dans des conditions de ciel clair
sur une planète semblable à la Terre autour du Soleil et de deux naines M », écrivent les auteurs.
L’étude a produit une gamme de données de réflectance pour des planètes semblables à la Terre autour de différentes étoiles. Les planètes ont été modélisées avec différentes atmosphères qui correspondent aux différentes atmosphères de la Terre au cours de ses quatre milliards d’années d’histoire. Les chercheurs ont également fait varier la quantité de couverture terrestre par rapport à la couverture océanique, la quantité de côtes et si la surface était couverte de plantes ou de bactéries photosynthétiques.
À l’avenir, nous utiliserons des télescopes spatiaux de plus en plus puissants comme LUVOIR (Large UV/Optical/IR Surveyor) et HabEx (Habitable Exoplanet Observatory). Des télescopes au sol comme le Thirty Meter Telescope, le Giant Magellan Telescope et le Le télescope européen extrêmement grand sera également mis en ligne dans un proche avenir. Ces télescopes vont générer une quantité sans précédent de données sur les exoplanètes, et cette étude fait partie de la préparation de cela.
Nous détectons de plus en plus d’exoplanètes et construisons une compréhension statistique des autres systèmes solaires et des distributions, masses et orbites des exoplanètes. La prochaine consiste à mieux comprendre les caractéristiques des exoplanètes. Des télescopes comme l’E-ELT le feront avec son miroir de 39,3 mètres. Il sera capable de séparer la lumière d’une exoplanète de la lumière de l’étoile et d’imager directement certaines exoplanètes. Cela déclenchera un flot de données sur la réflectance des exoplanètes et les biosignatures potentielles, et toutes ces données devront être évaluées.
Si jamais nous localisons une planète semblable à la Terre, une planète habitable et qui abrite actuellement la vie, elle n’apparaîtra pas simplement dans l’un de nos télescopes et annoncera sa présence. Au lieu de cela, il y aura des indices alléchants, il y aura des indications et des contre-indications. Les scientifiques avanceront lentement et prudemment, et un jour nous pourrons peut-être dire que nous avons trouvé une planète avec de la vie. Cette recherche a un rôle à jouer dans l’effort.
“Il est important d’évaluer quantitativement la détectabilité de toute biosignature de surface potentielle en utilisant les spécifications attendues de futures missions spécifiques”, expliquent les auteurs. “Cette étude a fait la première tentative d’enquêter sur la détectabilité de la fluorescence photosynthétique sur des exoplanètes semblables à la Terre.”
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