Les ingrédients de la vie sont répartis dans tout l’univers. Bien que la Terre soit le seul endroit connu de l’univers où la vie est présente, 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 étudions les exoplanètes et l’astrobiologie. Grâce en grande partie aux télescopes de nouvelle génération comme James Webb, des chercheurs comme nous seront bientôt en mesure de mesurer la composition chimique des atmosphères des planètes autour d’autres étoiles. L’espoir est qu’une ou plusieurs de ces planètes présentent une signature chimique de la vie.
De nombreuses exoplanètes connues se trouvent dans des zones habitables – des orbites qui ne sont pas trop proches d’une étoile pour que l’eau s’évapore, mais pas trop éloignées pour que la planète soit gelée – comme indiqué en vert pour le système solaire et le système stellaire Kepler-186 avec ses planètes étiquetées b, c, d, e et f. NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech/Wikimedia Commons
Exoplanètes habitables
La vie pourrait exister dans le système solaire là où il y a de l’eau liquide, comme dans les aquifères souterrains de Mars ou dans les océans d’Europe, la lune de Jupiter. Cependant, la recherche de la vie dans ces endroits est incroyablement difficile, car ils sont difficiles à atteindre et la détection de la vie nécessiterait l’envoi d’une sonde pour ramener des échantillons physiques.
De nombreux astronomes pensent qu’il y a de bonnes chances que la vie existe sur des planètes orbitant autour d’autres étoiles, et il est possible que ce soit là que l’on trouve la vie pour la première fois.
Les calculs théoriques suggèrent qu’il y a environ 300 millions de planètes potentiellement habitables dans la seule galaxie de la Voie lactée et plusieurs planètes habitables de la taille de la Terre à seulement 30 années-lumière de la Terre – essentiellement les voisins galactiques de l’humanité. Jusqu’à présent, les astronomes ont découvert plus de 5 000 exoplanètes, dont des centaines de planètes potentiellement habitables, en utilisant des méthodes indirectes qui mesurent l’influence d’une planète sur son étoile proche. Ces mesures peuvent donner aux astronomes des informations sur la masse et la taille d’une exoplanète, mais pas beaucoup plus.
Chaque matériau absorbe certaines longueurs d’onde de la lumière, comme le montre ce diagramme décrivant les longueurs d’onde de la lumière les plus facilement absorbées par différents types de chlorophylle. Daniele Pugliesi/Wikimedia Commons, CC BY-SA
A la recherche de biosignatures
Pour détecter la vie sur une planète lointaine, les astrobiologistes étudieront la lumière des étoiles qui a interagi avec la surface ou l’atmosphère d’une planète. Si l’atmosphère ou la surface a été transformée par la vie, la lumière peut porter un indice, appelé “biosignature”.
Pendant la première moitié de son existence, la Terre possédait une atmosphère sans oxygène, même si elle abritait une vie simple et unicellulaire. La biosignature de la Terre était très faible pendant cette première époque. Cela a changé brusquement il y a 2,4 milliards d’années lorsqu’une nouvelle famille d’algues a évolué. Ces algues utilisaient un processus de photosynthèse qui produisait de l’oxygène libre, c’est-à-dire de l’oxygène qui n’était pas chimiquement lié à un autre élément. Depuis lors, l’atmosphère terrestre remplie d’oxygène a laissé une biosignature forte et facilement détectable sur la lumière qui la traverse.
Lorsque la lumière rebondit sur la surface d’un matériau ou traverse un gaz, certaines longueurs d’onde de la lumière sont plus susceptibles de rester piégées dans le gaz ou la surface du matériau que d’autres. Ce piégeage sélectif des longueurs d’onde de la lumière explique pourquoi les objets ont des couleurs différentes. Les feuilles sont vertes parce que la chlorophylle est particulièrement efficace pour absorber la lumière dans les longueurs d’onde rouge et bleue. Lorsque la lumière frappe une feuille, les longueurs d’onde rouges et bleues sont absorbées, laissant une lumière essentiellement verte qui rebondit dans vos yeux.
Le schéma de la lumière manquante est déterminé par la composition spécifique du matériau avec lequel la lumière interagit. Pour cette raison, 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 qui provient d’une planète.
Cette méthode peut être utilisée pour reconnaître la présence de certains gaz atmosphériques associés à la vie – comme l’oxygène ou le méthane – car ces gaz laissent des signatures très spécifiques dans la lumière. Elle pourrait également être utilisée pour détecter des couleurs particulières à la surface d’une planète. Sur Terre, par exemple, la chlorophylle et d’autres pigments utilisés par les plantes et les algues pour la photosynthèse captent des longueurs d’onde spécifiques de la lumière. Ces pigments produisent des couleurs caractéristiques qui peuvent être détectées à l’aide d’une caméra infrarouge sensible. Si vous deviez voir cette couleur se refléter sur la surface d’une planète lointaine, cela pourrait signifier la présence de chlorophylle.
Les télescopes dans l’espace et sur TerreTerre
Le télescope spatial James Webb est le premier télescope capable de détecter les signatures chimiques des exoplanètes, mais il est limité dans ses capacités. NASA/Wikimedia Commons
Il faut un télescope incroyablement puissant pour détecter ces changements subtils dans la lumière provenant d’une exoplanète potentiellement habitable. Pour l’instant, le seul télescope capable d’un tel exploit est le nouveau télescope spatial James Webb. Lorsqu’il a commencé ses opérations scientifiques en juillet 2022, James Webb a relevé le spectre de l’exoplanète géante gazeuse WASP-96b. Le spectre a montré la présence d’eau et de nuages, mais une planète aussi grande et chaude que WASP-96b a peu de chances d’accueillir la vie.
Cependant, ces premières données montrent que James Webb est capable de détecter de faibles signatures chimiques dans la lumière provenant d’exoplanètes. Dans les mois à venir, Webb devrait tourner ses miroirs vers TRAPPIST-1e, une planète de taille terrestre potentiellement habitable, située à seulement 39 années-lumière de la Terre.
Webb peut rechercher des biosignatures en étudiant les planètes lorsqu’elles passent devant leur étoile hôte et en capturant la lumière des étoiles qui filtre à travers l’atmosphère de la planète. Mais Webb n’a pas été conçu pour rechercher la vie, de sorte que le télescope ne peut examiner que quelques-uns 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 suggérer la vie, Webb n’est pas en mesure de détecter la présence d’oxygène non lié, qui est le signal le plus fort pour la vie.
Les concepts de pointe pour les futurs télescopes spatiaux, encore plus puissants, comprennent des plans pour bloquer la lumière vive de l’étoile hôte d’une planète afin de révéler la lumière des étoiles réfléchie par la planète. Cette idée est similaire à l’utilisation de votre main pour bloquer la lumière du soleil afin de mieux voir quelque chose au loin. Les futurs télescopes spatiaux pourraient utiliser de petits masques internes ou de grands vaisseaux spatiaux externes en forme de parapluie pour réaliser cette opération. Une fois la lumière des étoiles bloquée, il devient beaucoup plus facile d’étudier la lumière qui rebondit sur une planète.
Il existe également trois énormes télescopes terrestres en cours de construction qui seront capables de rechercher des biosignatures : le télescope géant de Magellen, le télescope de trente mètres et le télescope européen de très grande taille. Chacun d’entre eux est bien plus puissant que les télescopes existants sur Terre et, malgré le handicap de l’atmosphère terrestre qui déforme la lumière des étoiles, ces télescopes pourraient être en mesure de sonder l’atmosphère des mondes les plus proches à la recherche d’oxygène.
Est-ce de la biologie ou de la géologie ?
Même en utilisant les télescopes les plus puissants des prochaines décennies, les astrobiologistes ne pourront détecter que des biosignatures fortes produites par des mondes qui ont été complètement transformés par la vie.
Malheureusement, la plupart des gaz libérés par la vie terrestre peuvent également être produits par des processus non biologiques – les vaches et les volcans libèrent tous deux du méthane. La photosynthèse produit de l’oxygène, mais la lumière du soleil en produit aussi, lorsqu’elle divise les molécules d’eau en oxygène et en hydrogène. Il est fort probable que les astronomes détectent quelques faux positifs lorsqu’ils cherchent de la vie à distance. Pour écarter les faux positifs, les astronomes devront comprendre suffisamment bien une planète d’intérêt pour savoir si ses processus géologiques ou atmosphériques pourraient imiter une biosignature.
La prochaine génération d’études d’exoplanètes a le potentiel de passer la barre des preuves extraordinaires nécessaires pour prouver l’existence de la vie. Les premières données publiées par le télescope spatial James Webb nous donnent un aperçu des progrès passionnants qui seront bientôt réalisés.
Chris Impey, professeur distingué d’astronomie à l’université d’Arizona et Daniel Apai, professeur d’astronomie et de sciences planétaires à l’université d’Arizona.
