L'eau est essentielle pour la vie sur Terre. Ainsi, le liquide doit être une exigence pour la vie dans d'autres mondes. Pendant des décennies, la définition des scientifiques de l'habitabilité sur d'autres planètes est reposée sur cette hypothèse.
Mais ce qui rend certaines planètes habitables pourrait avoir très peu à voir avec l'eau. En fait, un type de liquide entièrement différent pourrait en théorie soutenir la vie dans les mondes où l'eau peut à peine exister. C'est une possibilité que les scientifiques du MIT soulèvent dans une étude apparaissant cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences.
D'après les expériences en laboratoire, les chercheurs ont découvert qu'un type de liquide connu sous le nom de liquide ionique peut se former facilement à partir d'ingrédients chimiques qui devraient également être trouvés à la surface de certaines planètes et lunes rocheuses. Les liquides ioniques sont des sels qui existent sous forme liquide inférieure à environ 100 degrés Celsius.
Les expériences de l'équipe ont montré qu'un mélange d'acide sulfurique et de certains composés organiques contenant de l'azote produisait un tel liquide. Sur les planètes rocheuses, l'acide sulfurique peut être un sous-produit de l'activité volcanique, tandis que des composés contenant de l'azote ont été détectés sur plusieurs astéroïdes et planètes de notre système solaire, ce qui suggère que les composés peuvent être présents dans d'autres systèmes planétaires.
Les liquides ioniques ont une pression de vapeur extrêmement faible et n'évaporent pas; Ils peuvent se former et persister à des températures plus élevées et des pressions plus faibles que ce que l'eau liquide peut tolérer. Les chercheurs notent que le liquide ionique peut être un environnement hospitalier pour certaines biomolécules, telles que certaines protéines qui peuvent rester stables dans le liquide.
Les scientifiques proposent que même sur des planètes trop chaudes ou qui ont des atmosphères trop basse pression pour soutenir l'eau liquide, il pourrait encore y avoir des poches de liquide ionique. Et là où il y a du liquide, il peut y avoir un potentiel de vie, mais probablement rien qui ne ressemble pas aux êtres à base d'eau de la Terre.
« Nous considérons que l'eau est nécessaire à la vie parce que c'est ce qui est nécessaire pour la vie de la Terre. Mais si nous regardons une définition plus générale, nous voyons que ce dont nous avons besoin est un liquide dans lequel le métabolisme pour la vie peut avoir lieu », explique Rachana Agrawal, qui a dirigé l'étude en tant que postdoc dans le département du MIT de la terre, des sciences atmosphériques et planétaires. « Maintenant, si nous incluons le liquide ionique comme possibilité, cela peut augmenter considérablement la zone d'habitabilité pour tous les mondes rocheux. »
Les co-auteurs du MIT de l'étude sont Sara Seager, professeur de sciences planétaires de la classe de 1941 dans le département de terre, atmosphérique et des sciences planétaires et professeur dans les départements de physique et d'aéronautique et d'astronautique, avec iaroslav iakubivskyi, Weston Buchanan, Ana Glidden et Jingcheng. Les co-auteurs comprennent également Maxwell Seager du Worcester Polytechnic Institute, William Bains de l'Université de Cardiff et Janusz Petkowski de l'Université de sciences et de technologie de Wroclaw, en Pologne.
Un saut liquide
Le travail de l'équipe avec Ionic Liquid est né d'un effort pour rechercher des signes de vie sur Vénus, où des nuages d'acide sulfurique enveloppent la planète dans une brume nocive. Malgré sa toxicité, les nuages de Vénus peuvent contenir des signes de vie – une notion que les scientifiques prévoient de tester avec les missions à venir dans l'atmosphère de la planète.
Agrawal et Seager, qui mène les missions d'étoiles du matin à Vénus, enquêtaient sur des moyens de collecter et d'évaporer l'acide sulfurique. Si une mission recueille des échantillons dans les nuages de Vénus, l'acide sulfurique devrait être évaporé afin de révéler tous les composés organiques résiduels qui pourraient ensuite être analysés pour les signes de vie.
Les chercheurs utilisaient leur système personnalisé à basse pression conçu pour s'évaporer en excès d'acide sulfurique, pour tester l'évaporation d'une solution de l'acide et d'un composé organique, de la glycine. Ils ont constaté que dans tous les cas, alors que la plupart de l'acide sulfurique liquide s'est évaporé, une couche tenace de liquide est toujours restée.
Ils ont rapidement réalisé que l'acide sulfurique réagissait chimiquement avec la glycine, résultant en un échange d'atomes d'hydrogène de l'acide au composé organique. Le résultat a été un mélange fluide de sels, ou ions, connu sous le nom de liquide ionique, qui persiste comme un liquide à travers une large gamme de températures et de pressions.
Cette découverte accidentelle a été lancée une idée: le liquide ionique pourrait-il se former sur des planètes trop chaudes et des atmosphères hôtes trop minces pour que l'eau existe?
« De là, nous avons pris le saut de l'imagination de ce que cela pourrait signifier », dit Agrawal. « L'acide sulfurique se trouve sur Terre à partir de volcans, et des composés organiques ont été trouvés sur les astéroïdes et autres corps planétaires. Donc, cela nous a amenés à nous demander si les liquides ioniques pourraient potentiellement former et exister naturellement sur des exoplanètes. »
Oasis rocheux
Sur Terre, les liquides ioniques sont principalement synthétisés à des fins industrielles. Ils ne se produisent pas naturellement, sauf dans un cas spécifique, dans lequel le liquide est généré à partir du mélange de venins produits par deux espèces rivales de fourmis.
L'équipe a décidé d'étudier dans quelles conditions le liquide ionique pourrait être produit naturellement, et sur quelle gamme de températures et de pressions. En laboratoire, ils ont mélangé de l'acide sulfurique avec divers composés organiques contenant de l'azote. Dans les travaux antérieurs, l'équipe de Seager avait découvert que les composés, dont certains peuvent être considérés comme des ingrédients associés à la vie, sont étonnamment stables dans l'acide sulfurique.
« Au lycée, vous apprenez qu'un acide veut donner un proton », explique Seager. « Et curieusement, nous savions par notre travail passé avec l'acide sulfurique (le composant principal des nuages de Vénus) et les composés contenant de l'azote, qu'un azote veut recevoir un hydrogène. C'est comme si la poubelle d'une personne était le trésor d'une autre personne. »
La réaction pourrait produire un peu de liquide ionique si l'acide sulfurique et l'organisme contenant de l'azote étaient dans un rapport un à un – un rapport qui n'était pas un objectif des travaux antérieurs. Pour leur nouvelle étude, Seager et Agrawal mixtes d'acide sulfurique avec plus de 30 composés organiques contenant de l'azote différents, à travers une gamme de températures et de pressions, ont ensuite observé si le liquide ionique s'est formé lorsqu'ils ont évaporé l'acide sulfurique dans divers flacons. Ils ont également mélangé les ingrédients sur des roches de basalte, qui sont connues pour exister à la surface de nombreuses planètes rocheuses.
« Nous étions juste étonnés que le liquide ionique se forme dans de nombreuses conditions différentes », explique Seager. « Si vous mettez l'acide sulfurique et l'organique sur une roche, l'excès d'acide sulfurique s'infiltre dans les pores de la roche, mais il vous reste toujours avec une goutte de liquide ionique sur la roche. Tout ce que nous avons essayé, un liquide ionique est toujours formé. »
L'équipe a constaté que les réactions produisaient du liquide ionique à des températures allant jusqu'à 180 degrés Celsius et à des pressions extrêmement faibles – un peu plus bas que celle de l'atmosphère terrestre. Leurs résultats suggèrent que les liquides ioniques pourraient naturellement se former sur d'autres planètes où l'eau liquide ne peut pas exister, dans les bonnes conditions.
« Nous envisageons une planète plus chaude que la Terre, qui n'a pas d'eau, et à un moment donné de son passé ou actuellement, il doit avoir eu de l'acide sulfurique, formé à partir de dépassement volcanique », explique Seager. « Cet acide sulfurique doit circuler sur une petite poche de bio. Et les dépôts organiques sont extrêmement courants dans le système solaire. »
Ensuite, dit-elle, les poches de liquide résultantes pourraient rester à la surface de la planète, potentiellement pendant des années ou des millénaires, où ils pourraient théoriquement servir de petites oasis pour des formes simples de vie à base de liquide ionique. À l'avenir, l'équipe de Seager prévoit d'enquêter davantage, de voir quelles biomolécules et des ingrédients à vie pourraient survivre et prospérer dans le liquide ionique.
« Nous venons d'ouvrir une boîte de nouvelles recherches d'une Pandora », explique Seager. « Ce fut un vrai voyage. »
