Utiliser l'atmosphère illuminée des planètes pour rechercher la vie extraterrestre

Étoile illuminant l'atmosphère de la planète

Malgré le fait que les astronomes ont récemment découvert des milliers d' exoplanètes , déterminer l'habitabilité d'une telle planète est une tâche complexe. Comme nous ne pouvons pas étudier directement ces planètes, les scientifiques doivent rechercher des signes indirects. Ils sont appelés biomarqueurs et consistent en l'apparition de sous-produits chimiques que nous associons à la vie organique, apparaissant dans l'atmosphère de la planète.

Dans une nouvelle étude, l'équipe de scientifiques de la NASA propose une nouvelle méthode pour trouver des signes potentiels de vie en dehors du système solaire. Ils suggèrent de profiter des fréquentes tempêtes stellaires survenant sur les jeunes étoiles naines. Ces tempêtes projettent d'énormes nuages ​​de matière stellaire et de rayonnement dans l'espace, interagissant avec l'atmosphère des exoplanètes et émettant des biomarqueurs que nous pouvons détecter.

Récemment, dans la revue Nature Scientific Reports, une étude est parue, " Lumières de signalisation de la vie dans les atmosphères d'exoplanètes autour des étoiles de classe G et K. " Il était dirigé par Vladimir Ayrapetyan, astrophysicien de premier plan à la Division des sciences héliophysiques (HSD ) du Goddard Space Flight Center de la NASA. Son équipe comprenait des membres du Langley Research Center de la NASA, du Science Systems and Applications Incorporated (SSAI ) Center et de l'American University.


Les signaux lumineux de la vie peuvent aider les chercheurs à identifier des mondes potentiellement habités

Habituellement, les chercheurs recherchent des signes de la présence d'oxygène et de méthane dans l'atmosphère des exoplanètes, car ce sont les sous-produits bien connus des processus organiques. Au fil du temps, ces gaz s'accumulent et atteignent des concentrations qui peuvent être détectées par spectroscopie. Cependant, cette approche prend du temps et nécessite des astronomes de nombreux jours de travail lorsqu'ils essaient de voir le spectre depuis une planète lointaine.

Hayrapetyan et ses collègues soutiennent que sur les mondes potentiellement habités, on peut rechercher des signes plus grossiers. Une telle recherche sera basée sur les technologies et les ressources existantes et prendra beaucoup moins de temps. Arapetyan a expliqué dans un communiqué de presse ce qui suit:

Nous recherchons des molécules formées par les conditions fondamentales nécessaires à l'existence de la vie - en particulier l'azote moléculaire qui constitue 78% de notre atmosphère. Ce sont des molécules biologiquement conviviales de base capables d'émettre de puissantes ondes infrarouges, ce qui augmente nos chances de les détecter.

En utilisant la Terre comme exemple, Hayrapetyan et son équipe ont développé une nouvelle méthode pour rechercher des signes de sous-produits tels que la vapeur d'eau, l'azote et l'oxygène dans les atmosphères exoplanètes. Mais le plus difficile est de profiter des événements météorologiques spatiaux extrêmes se produisant sur des étoiles naines actives. Ces événements exposent les atmosphères planétaires à des éclairs de rayonnement et provoquent des réactions chimiques que les astronomes peuvent voir.


L'idée de l'artiste d'une étoile rouge froide sur une exoplanète lointaine

Pour des étoiles comme notre Soleil, un nain jaune de classe G, de tels événements météorologiques se produisent souvent dans leur jeunesse. Mais d'autres étoiles jaunes et oranges restent actives pendant des milliards d'années, et des tempêtes de particules chargées de haute énergie s'y produisent. Et les naines rouges de classe M, les étoiles les plus courantes dans l'univers, restent actives toute leur longue vie, bombardant périodiquement leurs planètes avec des mini-flashs.

Atteignant les exoplanètes, les torches réagissent avec l'atmosphère et conduisent à la décomposition de l'azote N ₂ et de l'oxygène O ₂ en atomes, et de la vapeur d'eau en hydrogène et oxygène. L'azote et l'oxygène pourris provoquent une cascade de réactions chimiques avec l'apparition d'hydroxyle OH, plus d'oxygène moléculaire O ₂ et d'oxyde nitrique NO - ce sont leurs scientifiques qui appellent les signaux atmosphériques.

Ces molécules absorbent l'énergie de la lumière d'une étoile atteignant l'atmosphère et émettent un rayonnement infrarouge. En étudiant certaines longueurs d'onde de ce rayonnement, les scientifiques peuvent déterminer la présence de produits chimiques spécifiques. La force du signal de ces éléments indique également la pression atmosphérique. Ensemble, les données obtenues permettent aux scientifiques de déterminer la densité et la composition de l'atmosphère.

Pendant des décennies, les astronomes ont utilisé un modèle pour calculer la formation d'ozone O ₃ dans l'atmosphère terrestre à partir de l'oxygène exposé au rayonnement solaire. Le même modèle, tenant compte des événements météorologiques attendus des étoiles froides actives, a permis à Hayrapetyan et à ses collègues de calculer exactement la quantité d'oxyde nitrique et d'hydroxyle qui devraient se former dans l'atmosphère terrestre et la quantité d'ozone qui devrait être détruite.


Vaisseau spatial NASA TIMED observant l'atmosphère de la Terre depuis 15 ans (Figure)

Pour ce faire, ils ont pris des données de la mission Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics Dynamics ( TIMED ), étudiant la formation de tels signaux atmosphériques dans l'atmosphère terrestre. Plus précisément, ils ont utilisé les données de l'outil SABRE , qui leur ont permis de simuler le rayonnement infrarouge des produits chimiques de signal qui peut être obtenu dans les atmosphères exoplanètes.

Comme l'a souligné Martin Mlynczak, directeur de recherche au Langley Research Center et co-auteur de:

Compte tenu de ce que nous savons sur le rayonnement infrarouge provenant de l'atmosphère terrestre, nous avons décidé d'étudier les exoplanètes et de voir quels signaux nous pouvons en détecter. Si nous trouvons des signaux d'exoplanètes qui viennent à peu près dans les mêmes proportions que de la Terre, nous pouvons dire que cette planète est un bon candidat pour soutenir la vie.

Ils ont constaté que la fréquence des fortes tempêtes stellaires est directement liée à la force des signaux thermiques provenant des substances de signal dans l'atmosphère. Plus les tempêtes se produisent, plus les molécules de signaux sont créées, ce qui fait que leurs signaux sont suffisamment forts pour être visibles de la Terre à l'aide de télescopes spatiaux en seulement deux heures d'observation.


Vue de l'exoplanète depuis sa lune (selon l'artiste)

Ils ont également constaté que cette méthode nous permet d'éliminer les exoplanètes qui n'ont pas de champ magnétique semblable à la Terre qui interagit naturellement avec les particules chargées du Soleil. La présence d'un tel champ garantit que l'atmosphère ne souffle pas loin de la planète, et donc il est nécessaire pour l'habitabilité. Comme Hayrapetyan l'a expliqué :

La planète a besoin d'un champ magnétique qui protège l'atmosphère des tempêtes d'étoiles et des radiations. Si les vents stellaires ne sont pas assez forts pour pousser le champ magnétique de l'exoplanète à sa surface, le champ magnétique empêche la perte de l'atmosphère, il reste plus de particules, ce qui donne un signal infrarouge plus fort.

Ce modèle est important pour de nombreuses raisons. Il montre comment des études détaillées de l'atmosphère terrestre et de ses interactions avec la météo spatiale sont utilisées pour étudier les exoplanètes. Il peut également permettre de nouvelles études sur l'aptitude à la vie des exoplanètes disponibles pour les étoiles de certaines classes - à la fois en jaune et en orange, et dans les naines rouges froides.

Les naines rouges sont les étoiles les plus courantes dans l'univers. Dans les galaxies spirales, leur ordre est de 70% et dans les galaxies elliptiques - 90%. De plus, sur la base de découvertes récentes, les astronomes apprécient hautement la probabilité que des systèmes de nains rouges apparaissent sur les planètes rocheuses. L'équipe de recherche suggère également que les instruments spatiaux de nouvelle génération, tels que le télescope James Webb , augmenteront la probabilité de trouver des planètes habitées à l'aide de ce modèle.


En tant qu'artiste, il imagine une planète en orbite autour d'une étoile Alpha Centauri B - un membre du triple système d'étoiles le plus proche de la Terre.

Comme William Danchi, astrophysicien au Goddard Center et co-auteur de l'étude, l'a déclaré:

Les nouvelles idées sur la possibilité de vie sur les exoplanètes dépendent fortement de la recherche interdisciplinaire, qui utilise des données, des modèles et des technologies obtenus des quatre divisions du Centre Goddard: héliophysique, astrophysique, sciences planétaires et terrestres. Ce mélange génère des moyens uniques et prometteurs d'étudier les exoplanètes.

Avant d'étudier directement les exoplanètes, tous les développements qui rendent les biomarqueurs plus visibles et plus faciles à détecter restent extrêmement importants. Dans les années à venir, les projets Project Blue et Breakthrough Starshot espèrent mener les premières recherches directes du système Alpha Centauri. Mais pour l'instant, les modèles améliorés qui nous aident à rechercher des exoplanètes potentiellement habitées d'innombrables étoiles sont inestimables!

Non seulement ils améliorent considérablement notre connaissance de la fréquence d'occurrence de ces planètes, mais ils peuvent même nous aider à trouver une ou plusieurs des planètes Terre 2.0!