En ce qui concerne la recherche de mondes qui pourraient soutenir la vie extraterrestre, les scientifiques s'appuient actuellement sur l'approche des «fruits bas». Puisque nous ne connaissons qu'un seul ensemble de conditions dans lesquelles la vie peut prospérer - c'est-à-dire ce que nous avons ici sur Terre - il est logique de chercher des mondes qui ont ces mêmes conditions. Il s'agit notamment d'être situé dans la zone habitable d'une étoile, d'avoir une atmosphère stable et de pouvoir maintenir l'eau liquide à la surface.
Jusqu'à présent, les scientifiques se sont appuyés sur des méthodes qui rendent très difficile la détection de la vapeur d'eau dans l'atmosphère des planètes terrestres. Mais grâce à une nouvelle étude menée par Yuka Fujii du Goddard Institute for Space Studies (GISS) de la NASA, cela pourrait être sur le point de changer. En utilisant un nouveau modèle tridimensionnel qui prend en compte les modèles de circulation globale, cette étude indique également que les exoplanètes habitables peuvent être plus courantes que nous ne le pensions.
L'étude, intitulée «Atmosphères supérieures humides dirigées par le NIR des exoplanètes terrestres tempérées en rotation synchrone», a récemment paru dans The Astrophysical Journal. En plus du Dr Fujii, qui est également membre du Earth-Life Science Institute du Tokyo Institute of Technology, l'équipe de recherche comprenait Anthony D. Del Genio (GISS) et David S. Amundsen (GISS et Columbia University).
Pour le dire simplement, l'eau liquide est essentielle à la vie telle que nous la connaissons. Si une planète n'a pas une atmosphère suffisamment chaude pour maintenir l'eau liquide à sa surface pendant une durée suffisante (de l'ordre de milliards d'années), il est peu probable que la vie puisse émerger et évoluer. Si une planète est trop éloignée de son étoile, son eau de surface gèlera; s'il est trop proche, son eau de surface s'évapore et se perd dans l'espace.
Bien que l'eau ait été détectée dans l'atmosphère des exoplanètes auparavant, dans tous les cas, les planètes étaient des géantes gazeuses massives qui orbitaient très près de leurs étoiles. (aka. "Hot Jupiters"). Comme Fujii et ses collègues l'affirment dans leur étude:
«Bien que des signatures H2O aient été détectées dans les atmosphères de Jupiters chauds, la détection de signatures moléculaires, y compris H2O, sur des planètes terrestres tempérées est extrêmement difficile, en raison du petit rayon planétaire et de la petite échelle (en raison de la température plus basse et de la moyenne vraisemblablement plus grande masse moléculaire)."
En ce qui concerne les exoplanètes terrestres (c'est-à-dire rocheuses), les études précédentes ont été obligées de s'appuyer sur des modèles unidimensionnels pour calculer la présence d'eau. Cela consistait à mesurer la perte d'hydrogène, où la vapeur d'eau dans la stratosphère est décomposée en hydrogène et en oxygène par exposition aux rayons ultraviolets. En mesurant la vitesse à laquelle l'hydrogène est perdu dans l'espace, les scientifiques estimeraient la quantité d'eau liquide encore présente à la surface.
Cependant, comme l'expliquent le Dr Fujii et ses collègues, de tels modèles reposent sur plusieurs hypothèses qui ne peuvent être abordées, notamment le transport mondial de chaleur et de vapeur d'eau, ainsi que les effets des nuages. Fondamentalement, les modèles précédents prédisaient que pour que la vapeur d'eau atteigne la stratosphère, les températures de surface à long terme sur ces exoplanètes devraient être supérieures de plus de 66 ° C (150 ° F) à ce que nous connaissons ici sur Terre.
Ces températures pourraient créer de puissantes tempêtes convectives à la surface. Cependant, ces tempêtes ne pourraient pas être la raison pour laquelle l'eau atteint la stratosphère quand il s'agit de planètes en rotation lente entrant dans un état de serre humide - où la vapeur d'eau intensifie la chaleur. Les planètes qui orbitent étroitement sur leurs étoiles parentes sont connues pour avoir une rotation lente ou pour être verrouillées avec leurs planètes, rendant ainsi les tempêtes convectives peu probables.
Cela se produit assez souvent pour les planètes terrestres qui sont situées autour d'étoiles de type M (naine rouge) ultra-froides et de faible masse. Pour ces planètes, leur proximité avec leur étoile hôte signifie que son influence gravitationnelle sera suffisamment forte pour ralentir ou arrêter complètement leur rotation. Lorsque cela se produit, des nuages épais se forment sur le côté de la journée de la planète, la protégeant d'une grande partie de la lumière de l'étoile.
L'équipe a constaté que, bien que cela puisse garder la journée fraîche et empêcher la vapeur d'eau de monter, la quantité de rayonnement proche infrarouge (NIR) pourrait fournir suffisamment de chaleur pour amener une planète à entrer dans un état de serre humide. Cela est particulièrement vrai pour le type M et d'autres étoiles naines fraîches, qui sont connues pour produire davantage de NIR. Au fur et à mesure que ce rayonnement réchauffe les nuages, la vapeur d'eau monte dans la stratosphère.
Pour résoudre ce problème, Fujii et son équipe se sont appuyés sur des modèles de circulation générale en trois dimensions (MCG) qui intègrent la circulation atmosphérique et l'hétérogénéité climatique. Pour le bien de leur modèle, l'équipe a commencé avec une planète qui avait une atmosphère semblable à la Terre et qui était entièrement recouverte par les océans. Cela a permis à l'équipe de voir clairement comment les variations de distance par rapport aux différents types d'étoiles affectaient les conditions sur les surfaces des planètes.
Ces hypothèses ont permis à l'équipe de voir clairement comment le changement de la distance orbitale et du type de rayonnement stellaire affectait la quantité de vapeur d'eau dans la stratosphère. Comme l'a expliqué le Dr Fujii dans un communiqué de presse de la NASA:
«En utilisant un modèle qui simule de façon plus réaliste les conditions atmosphériques, nous avons découvert un nouveau processus qui contrôle l'habitabilité des exoplanètes et nous guidera dans l'identification de candidats pour une étude plus approfondie… Nous avons trouvé un rôle important pour le type de rayonnement qu'une étoile émet et l'effet qu'elle émet a sur la circulation atmosphérique d'une exoplanète dans l'état de serre humide. "
En fin de compte, le nouveau modèle de l'équipe a démontré que, puisque les étoiles de faible masse émettent la majeure partie de leur lumière aux longueurs d'onde NIR, un état de serre humide se traduira pour les planètes en orbite autour d'elles. Cela entraînerait des conditions sur leurs surfaces comparables à ce que la Terre connaît dans les tropiques, où les conditions sont chaudes et humides, au lieu de chaudes et sèches.
De plus, leur modèle indiquait que les processus dirigés par le NIR augmentaient progressivement l’humidité dans la stratosphère, au point que les exoplanètes en orbite plus près de leurs étoiles pouvaient rester habitables. Cette nouvelle approche pour évaluer l'habitabilité potentielle permettra aux astronomes de simuler la circulation des atmosphères planétaires et les particularités de cette circulation, ce que les modèles unidimensionnels ne peuvent pas faire.
À l'avenir, l'équipe prévoit d'évaluer comment les variations des caractéristiques planétaires - telles que la gravité, la taille, la composition atmosphérique et la pression de surface - pourraient affecter la circulation de la vapeur d'eau et l'habitabilité. Cela permettra, avec leur modèle tridimensionnel qui prend en compte les modèles de circulation planétaire, de permettre aux astronomes de déterminer avec plus de précision l'habitabilité potentielle de planètes éloignées. Comme l'a indiqué Anthony Del Genio:
«Tant que nous connaissons la température de l'étoile, nous pouvons estimer si les planètes proches de leurs étoiles ont le potentiel d'être à l'état de serre humide. La technologie actuelle sera poussée à l'extrême pour détecter de petites quantités de vapeur d'eau dans l'atmosphère d'une exoplanète. S'il y a suffisamment d'eau à détecter, cela signifie probablement que la planète est à l'état de serre humide. »
Au-delà d'offrir aux astronomes une méthode plus complète pour déterminer l'habitabilité des exoplanètes, cette étude est également une bonne nouvelle pour les chasseurs d'exoplanètes qui espèrent trouver des planètes habitables autour d'étoiles de type M. Les étoiles de type M à faible masse et ultra-fraîches sont les étoiles les plus courantes dans l'Univers, représentant environ 75% de toutes les étoiles de la Voie lactée. Le fait de savoir qu'elles pourraient supporter des exoplanètes habitables augmente considérablement les chances d'en trouver une.
De plus, cette étude est une TRÈS bonne nouvelle compte tenu de la récente vague de recherches qui a sérieusement mis en doute la capacité des étoiles de type M à héberger des planètes habitables. Cette recherche a été menée en réponse aux nombreuses planètes terrestres qui ont été découvertes autour des naines rouges à proximité ces dernières années. Ce qu'ils ont révélé, c'est qu'en général, les étoiles naines rouges subissent trop de reflets et pourraient dépouiller leurs planètes respectives de leur atmosphère.
Il s'agit notamment du système TRAPPIST-1 à 7 planètes (dont trois sont situés dans la zone habitable de l'étoile) et de l'exoplanète la plus proche du système solaire, Proxima b. Le grand nombre de planètes semblables à la Terre découvertes autour d'étoiles de type M, couplé à cette classe de longévité naturelle de l'étoile, a conduit de nombreux membres de la communauté astrophysique à s'aventurer que les étoiles naines rouges pourraient être l'endroit le plus probable pour trouver des exoplanètes habitables.
Avec cette dernière étude, qui indique que ces planètes pourraient être habitables après tout, il semblerait que la balle soit effectivement de retour dans leur camp!
