Le télescope spatial James Webb de la NASA examine les exoplanètes potentiellement habitables de notre galaxie, en se concentrant sur les petites planètes qui pourraient abriter la vie en raison de leur emplacement dans la zone habitable. La détection des atmosphères, sans parler des biosignatures indicatives de la vie, est extrêmement difficile en raison de la taille minuscule des signaux émis par ces planètes et des interférences de leurs étoiles hôtes. Crédit : Issues.fr.com
Le Télescope spatial James Webb recherche activement de petites exoplanètes potentiellement habitables, en utilisant la spectroscopie de transmission pour analyser leurs compositions atmosphériques. Le processus est compliqué par la petite taille des signaux et la nécessité de périodes d'observation prolongées, ce qui rend la détection des biosignatures de la vie une tâche exigeante.
Les exoplanètes sont courantes dans notre galaxie, et certaines orbitent même dans la zone dite habitable de leur étoile. Le télescope spatial James Webb de la NASA a été occupé à observer quelques-unes de ces petites planètes potentiellement habitables, et les astronomes travaillent désormais d'arrache-pied pour analyser les données Webb. Nous invitons les Drs. Knicole Colón et Christopher Stark, deux scientifiques du projet Webb au Goddard Space Flight Center de la NASA, pour nous en dire plus sur les défis liés à l'étude de ces autres mondes.
Définir des planètes potentiellement habitables
« Une planète potentiellement habitable est souvent définie comme une planète de taille similaire à la Terre qui orbite dans la « zone habitable » de son étoile, un endroit où la planète pourrait avoir une température où l'eau liquide pourrait existent à sa surface. Nous connaissons actuellement une trentaine de planètes qui pourraient être de petites planètes rocheuses comme la Terre et qui orbitent dans la zone habitable.
« Cependant, rien ne garantit qu’une planète qui orbite dans la zone habitable soit réellement habitable (elle pourrait abriter la vie), et encore moins habitée (elle abrite actuellement la vie). Au moment de la rédaction de cet article, il n’existe qu’une seule planète habitable et habitée : la Terre !
Cette infographie compare les caractéristiques de trois classes d'étoiles de notre galaxie : les étoiles semblables au Soleil sont classées comme étoiles G ; les étoiles moins massives et plus froides que notre Soleil sont des naines K ; et les étoiles encore plus faibles et plus froides sont les naines M rougeâtres. La taille de la zone habitable est différente pour chaque classe d'étoiles. Dans notre système solaire, la zone habitable commence juste au-delà de l’orbite de Vénus et englobe presque Mars. Crédit : NASA, ESA et Z. Levy (STScI)
Les défis de l'observation des atmosphères des exoplanètes
« Les mondes potentiellement habitables observés par Webb sont tous exoplanètes en transit, ce qui signifie que leurs orbites sont presque par la tranche, de sorte qu'elles passent devant leurs étoiles hôtes. Webb profite de cette orientation pour réaliser une spectroscopie en transmission lorsque la planète passe devant son étoile. Cette orientation nous permet d’examiner la lumière des étoiles filtrée à travers les atmosphères des planètes pour en apprendre davantage sur leurs compositions chimiques.
« Cependant, la quantité de lumière stellaire bloquée par la fine atmosphère d'une petite planète rocheuse est infime, généralement bien inférieure à 0,02 %. La simple détection d’une atmosphère autour de ces petits mondes est très difficile. Identifier la présence de vapeur d’eau, qui pourrait renforcer la possibilité d’habitabilité, est encore plus difficile. À la recherche de biosignatures (gaz produits biologiquement) est extraordinairement difficile, mais aussi une entreprise passionnante.
Quand un exoplanète passe directement entre son étoile hôte et l'observateur, on dit que la planète transite devant son étoile hôte. Ce transit atténue la lumière de l'étoile d'une quantité mesurable, et la lumière des étoiles est également filtrée à travers l'atmosphère de l'exoplanète si elle en possède une. Cette animation montre une seule planète et le changement correspondant dans les niveaux de lumière pendant le transit. Crédit: NASALaboratoire de propulsion à réaction de
« Il n’existe actuellement qu’une poignée de petits mondes potentiellement habitables considérés comme accessibles à la caractérisation atmosphérique avec Webb, notamment les planètes LHS 1140 b et TRAPPIST-1 e.
Défis techniques liés à la détection des biosignatures
« Certains travaux théoriques récents explorant la détectabilité des molécules gazeuses dans l’atmosphère de la planète LHS 1140 b, de la taille d’une super-Terre, mettent en évidence plusieurs défis dans la recherche de biosignatures. Les travaux notent qu'environ 10 à 50 transits de la planète autour de son étoile hôte, équivalents à 40 à 200 heures d'observation avec Webb, seraient nécessaires pour tenter de détecter des biosignatures potentielles, telles que l'ammoniac, la phosphine, le chlorométhane et protoxyde d'azotedans le meilleur des cas, une atmosphère claire et sans nuages.
Un spectre de transmission simulé d'une atmosphère semblable à la Terre montre les longueurs d'onde de la lumière solaire absorbées par des molécules comme l'ozone (O3), l'eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4). (Remarquez que sur ce graphique, l'axe Y montre la quantité de lumière bloquée par l'atmosphère de la planète semblable à la Terre plutôt que la luminosité de la lumière solaire qui traverse l'atmosphère : la luminosité diminue de bas en haut.) Modèle de spectre de transmission de Lisa Kaltenegger et Zifan Lin 2021 ApJL 909. Crédit : NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)
Les complexités des programmes d’observation des exoplanètes
« Étant donné que Webb ne peut pas visualiser le système LHS 1140 toute l'année en raison de son emplacement dans le ciel, il faudrait plusieurs années, voire près d'une décennie, pour collecter 50 observations de transit de LHS 1140 b. La recherche de biosignatures peut nécessiter même plus de 50 observations de transit si l'atmosphère de la planète est nuageuse.
« On sait que la plupart des petites exoplanètes présentent des nuages ou des brumes qui atténuent ou obscurcissent le signal recherché. Les signaux atmosphériques de ces gaz biosignatures ont également tendance à se chevaucher avec d'autres signaux atmosphériques attendus (par exemple dus au méthane gazeux ou au dioxyde de carbone), la distinction entre les différents signaux constitue donc un autre défi.
Planètes hycéennes : une nouvelle voie de recherche
« Une voie potentielle dans la recherche de biosignatures réside dans l’étude des planètes hycéennes, qui sont une classe théorique de planètes de la taille de la Terre avec une atmosphère relativement mince et riche en hydrogène et un océan d’eau liquide important. La super-Terre K2-18 b est candidate pour devenir une planète hycéenne potentiellement habitable sur la base des données actuelles de Webb et d'autres observatoires.
« Des travaux récemment publiés ont utilisé NIRSpec et NIRISS pour détecter le méthane et le dioxyde de carbone dans l'atmosphère du K2-18 b, mais pas dans l'eau. Cela signifie que la suggestion selon laquelle K2-18 b est un monde hycéen avec un océan d'eau liquide reste basée sur des modèles théoriques, sans aucune preuve d'observation directe pour l'instant. Les auteurs des travaux ont également fait allusion à la présence possible de la biosignature potentielle du sulfure de diméthyle dans l'atmosphère de K2-18 b, mais le signal potentiel du sulfure de diméthyle est trop faible pour une détection concluante dans les données actuelles.
Conception artistique du télescope spatial James Webb. Crédit : NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez
« Le concept et l’étude de la classe des planètes hycéennes sont très nouveaux, de sorte que des interprétations alternatives au scénario d’océan d’eau liquide (et donc au potentiel d’un environnement habitable) sont encore à l’étude. Les prochaines observations de Webb avec les instruments NIRSpec et MIRI devraient apporter davantage de lumière sur la nature de la potentielle planète hycéenne K2-18 b et sur la présence possible de sulfure de diméthyle dans son atmosphère.
Facteurs de confusion dans les données d'observation
« Un autre facteur de confusion qui rend difficile l'étude de Webb sur les petits mondes potentiellement habitables est que le hôte étoiles peut également présenter des signes de vapeur d'eau. Cela a été exploré dans les récentes observations de Webb de l'exoplanète rocheuse connue sous le nom de GJ 486 b. Nous avons donc le défi supplémentaire de déterminer si la vapeur d'eau détectée par Webb provient réellement de l'atmosphère d'une planète et non de son étoile.
Conclusion : l'avenir des études sur les exoplanètes
« La détection de biosignatures dans l'atmosphère de petites planètes en transit potentiellement habitables en orbite autour d'étoiles froides est une entreprise extrêmement difficile, nécessitant généralement des conditions idéales (par exemple, des atmosphères sans nuages) ou en supposant des environnements terrestres primitifs (c'est-à-dire différents de la Terre moderne comme nous le savons), la détection de signaux nettement inférieurs à 200 parties par million, une étoile qui se comporte bien sans vapeur d'eau significative dans les taches stellaires et un temps de télescope important pour atteindre un rapport signal/bruit suffisant.
« Il est également important de garder à l’esprit que la détection d’une seule biosignature par quelque moyen que ce soit ne constitue pas la découverte de la vie. La découverte de la vie sur une exoplanète nécessitera probablement un large éventail de biosignatures détectées sans ambiguïté, des données provenant de plusieurs missions et observatoires, ainsi que de nombreux efforts de modélisation atmosphérique, un processus qui prendra probablement des années.
« La puissance de Webb réside dans le fait qu’il possède la sensibilité nécessaire pour détecter et commencer à caractériser les atmosphères d’une poignée de planètes potentiellement habitables les plus prometteuses en orbite autour d’étoiles froides. Webb a notamment la capacité de détecter une gamme de molécules importantes pour la vie, comme la vapeur d'eau, le méthane et le dioxyde de carbone. Notre objectif est d’en apprendre le plus possible sur les mondes potentiellement habitables, même si nous ne pouvons pas identifier définitivement les signatures habitables avec Webb.
« Les observations de Webb, combinées aux études d'exoplanètes réalisées par le prochain télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA, jetteront à terme les bases du futur observatoire des mondes habitables, qui sera la première mission de la NASA spécialement conçue pour imager et rechercher directement des traces chimiques causées par la vie sur Des planètes semblables à la Terre autour d’étoiles semblables au Soleil.
À propos des auteurs:
Knicole Colón est astrophysicienne au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, et est scientifique adjointe du projet du télescope spatial James Webb pour la science des exoplanètes.
Christopher Stark est astrophysicien au laboratoire d'astrophysique des exoplanètes et des étoiles du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, et est scientifique adjoint du projet d'observatoire du télescope spatial James Webb.
