Au cours des dernières décennies, les astronomes ont confirmé l'existence de milliers de planètes au-delà de notre système solaire. Au fil du temps, le processus est passé de la découverte à la caractérisation dans l'espoir de trouver laquelle de ces planètes est capable de soutenir la vie. Pour le moment, ces méthodes sont de nature indirecte, ce qui signifie que les astronomes ne peuvent en déduire que si une planète est habitable en fonction de sa ressemblance avec la Terre.
Pour aider à la recherche d'exoplanètes «potentiellement habitables», une équipe de chercheurs de Cornell a récemment créé cinq modèles qui représentent des points clés de l'évolution de la Terre. Ces «instantanés» de ce à quoi ressemblait la Terre à diverses époques géologiques pourraient grandement améliorer la recherche d'une vie extraterrestre en fournissant une image plus complète de ce à quoi pourrait ressembler une planète porteuse de vie.
L'étude, récemment publiée dans le Lettres du journal astrophysique, était dirigée par Lisa Kaltenegger - professeure agrégée d'astronomie à l'Université Cornell et directrice du Carl Sagan Institute (CSI). En utilisant les époques géologiques précédentes comme guide, Kaltenegger et son équipe ont développé des modèles spectraux qui aideront les télescopes de nouvelle génération dans la chasse aux planètes «semblables à la Terre».
Il s'agit notamment de la Télescope spatial James Webb (JWST) et le Télescope spatial infrarouge à large champ (WFIRST), qui sera déployé dans l'espace en 2021 et 2024, respectivement. Comme Kaltenegger l'a expliqué dans un récent communiqué de presse de CSI:
«Cette nouvelle génération de télescopes spatiaux et terrestres couplée à nos modèles nous permettra d'identifier des planètes comme notre Terre à environ 50 à 100 années-lumière de distance.»
«En utilisant notre propre Terre comme clé, nous avons modélisé cinq époques distinctes de la Terre pour fournir un modèle sur la façon de caractériser une exo-Terre potentielle - d'une jeune Terre prébiotique à notre monde moderne. Les modèles nous permettent également d'explorer à quel moment de l'évolution de la Terre un observateur distant pourrait identifier la vie sur les «points bleu pâle» de l'univers et sur d'autres mondes comme eux. »
Pour tout décomposer, les astronomes se limitent actuellement à rechercher des planètes qui ressemblent à la Terre, principalement parce que la Terre est la seule planète connue qui supporte la vie. Cependant, les conditions que nous voyons sur Terre aujourd'hui ne sont qu'un aperçu de l'apparence de notre planète au fil du temps. Dans le passé, la géologie et l'atmosphère de la Terre étaient très différentes, ce qui jouait un rôle vital dans l'évolution de la vie terrestre.
Pour leur étude, Kaltenegger et son équipe ont créé des modèles atmosphériques qui correspondent à ce à quoi ressemblait la Terre il y a 3,9 milliards d'années. Cette «Terre prébiotique» avait une atmosphère composée en grande partie de dioxyde de carbone. Un deuxième modèle, la «Terre anoxique», montre à quoi ressemblait notre planète il y a 3,5 milliards d'années lorsque l'atmosphère était exempte d'oxygène.
Trois autres modèles révèlent la transition de la Terre vers le présent, qui comprenait la montée des organismes photosynthétiques (il y a environ 3,5 milliards d'années) et le «grand événement d'oxygénation» (il y a environ 2,4 à 2 milliards d'années). Au cours de ces époques, l'oxygène dans notre atmosphère est progressivement passé d'une concentration de 0,2% à des niveaux modernes de 21%. Comme l'a dit Kaltenegger:
«Notre Terre et l'air que nous respirons ont radicalement changé depuis la formation de la Terre il y a 4,5 milliards d'années, et pour la première fois, cet article explique comment les astronomes essayant de trouver des mondes comme le nôtre, pourraient repérer des planètes jeunes à modernes comme la Terre en transit, en utilisant l'histoire de notre propre Terre comme modèle.
Bien que l'on ne sache pas exactement quand la Terre a atteint une atmosphère riche en oxygène, ces modèles fournissent un cadre pour quelles caractéristiques atmosphériques étaient présentes sur Terre il y a des milliards d'années. Sur la base de ces modèles, les exoplanètes qui ont des niveaux atmosphériques de moins de 1% d'oxygène sont susceptibles de montrer des signes de biologie émergente, d'ozone et de méthane.
En plus des télescopes spatiaux comme le JWST et le WFIRST, des télescopes au sol comme le Télescope Extrêmement Grand (ELT) de l'ESO, le Télescope de Trente Mètres (TMT) et le Télescope Géant de Magellan (GMT). Grâce à leur haute sensibilité et à leur optique adaptative, ces télescopes seront capables de réaliser des levés d'imagerie directe d'exoplanètes éloignées et de caractériser leurs atmosphères.
Avec ces instruments, les astronomes pourront observer des exoplanètes rocheuses plus petites avec des orbites plus étroites (alias planètes «semblables à la Terre») alors qu'elles transitent devant leurs étoiles hôtes (ce que l'on appelle la méthode de transit). Lorsque cela se produit, la lumière du soleil passera à travers leurs atmosphères et produira des spectres que les astronomes utiliseront pour déterminer quels produits chimiques sont présents.
"Une fois que l'exoplanète transite et bloque une partie de son étoile hôte, nous pouvons déchiffrer ses signatures spectrales atmosphériques", a déclaré Kaltenegger. "En utilisant l'histoire géologique de la Terre comme clé, nous pouvons plus facilement repérer les signes chimiques de la vie sur les exoplanètes éloignées."
Si l’histoire géologique de la Terre est une indication, les planètes capables de soutenir la vie traversent de sérieuses transitions, en partie parce que l’émergence de la vie affecte l’évolution de la planète. À cet égard, les qualificatifs tels que «semblable à la Terre» et «potentiellement habitable» ont une dimension temporelle, impliquant une gamme de conditions dans le temps.
