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Comment les modèles climatiques de la Terre aident les scientifiques à imaginer la vie sur des mondes inimaginables

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Dans un bâtiment en brique générique à l’extrémité nord-ouest du campus Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, des milliers d’ordinateurs emballés dans des racks de la taille de distributeurs automatiques bourdonnent dans un chœur assourdissant de données croquantes. De jour comme de nuit, ils crachent 7 quadrillions de calculs par seconde. Collectivement, ces machines sont connues comme le supercalculateur Discover de la NASA et elles sont chargées d’exécuter des modèles climatiques sophistiqués pour prédire le futur climat de la Terre.

Mais maintenant, ils réfléchissent également à quelque chose de bien plus éloigné: si l’une des plus de 4000 planètes étrangement étranges au-delà de notre système solaire découvertes au cours des deux dernières décennies pourraient soutenir la vie.

Les scientifiques constatent que la réponse est non seulement oui, mais qu’elle l’est dans des conditions surprenantes par rapport à la Terre. Cette révélation a incité nombre d’entre eux à se débattre avec une question vitale pour la recherche de la vie par la NASA au-delà de la Terre. Est-il possible que nos notions de ce qui rend une planète adaptée à la vie soient trop limitatives?

La prochaine génération de télescopes puissants et d’observatoires spatiaux nous donnera sûrement plus d’indices. Ces instruments permettront aux scientifiques d’analyser pour la première fois les atmosphères des planètes les plus alléchantes du monde: des roches, comme la Terre, qui pourraient avoir un ingrédient essentiel à la vie – l’eau liquide – qui coule sur leurs surfaces.

Pour l’instant, il est difficile de sonder des atmosphères lointaines. L’envoi d’un vaisseau spatial vers la planète la plus proche en dehors de notre système solaire, ou exoplanète, prendrait 75 000 ans avec la technologie d’aujourd’hui. Même avec des télescopes puissants, les exoplanètes proches sont pratiquement impossibles à étudier en détail. Le problème est qu’ils sont trop petits et trop noyés par la lumière de leurs étoiles pour que les scientifiques puissent distinguer les faibles signatures lumineuses qu’ils reflètent – des signatures qui pourraient révéler la chimie de la vie à la surface.

En d’autres termes, détecter les ingrédients des atmosphères autour de ces planètes fantômes, comme de nombreux scientifiques aiment le souligner, c’est comme se tenir à Washington, D.C., et essayer d’apercevoir une luciole à côté d’un projecteur à Los Angeles. Cette réalité rend les modèles climatiques essentiels à l’exploration, a déclaré le scientifique exoplanétaire en chef Karl Stapelfeldt, qui est basé au Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, en Californie.

“Les modèles font des prévisions spécifiques et vérifiables de ce que nous devrions voir”, a-t-il déclaré. “Ces éléments sont très importants pour la conception de nos futurs télescopes et stratégies d’observation.”

Le système solaire est-il un bon modèle?

En parcourant le cosmos avec de grands télescopes terrestres et spatiaux, les astronomes ont découvert un assortiment éclectique de mondes qui semblent tirés de l’imagination.

“Pendant longtemps, les scientifiques se sont vraiment concentrés sur la recherche de systèmes semblables au Soleil et à la Terre. C’est tout ce que nous savions”, a déclaré Elisa Quintana, astrophysicienne Goddard de la NASA qui a dirigé la découverte en 2014 de la planète de la taille de la Terre Kepler-186f. “Mais nous avons découvert qu’il y a toute cette diversité folle dans les planètes. Nous avons trouvé des planètes aussi petites que la Lune. Nous avons trouvé des planètes géantes. Et nous en avons trouvé certaines en orbite autour de minuscules étoiles, d’étoiles géantes et d’étoiles multiples.”

En effet, la plupart des planètes détectées par le télescope spatial Kepler de la NASA et le nouveau satellite de surveillance des exoplanètes en transit, ainsi que les observations au sol, n’existent pas dans notre système solaire. Ils se situent entre la taille d’une Terre terrestre et un Uranus gazeux, qui est quatre fois plus grand que cette planète.

Jusqu’à présent, les planètes dont la taille est la plus proche de la Terre et qui, en théorie, ont probablement des conditions d’habitabilité n’ont été trouvées que autour d’étoiles “naines rouges”, qui constituent la grande majorité des étoiles de la galaxie. Mais c’est probablement parce que les naines rouges sont plus petites et plus faibles que le Soleil, donc le signal des planètes en orbite autour d’eux est plus facile à détecter pour les télescopes.

Parce que les naines rouges sont petites, les planètes doivent se chevaucher inconfortablement près – plus près que Mercure n’est du Soleil – pour rester gravitationnellement attachées à elles. Et parce que les naines rouges sont fraîches, par rapport à toutes les autres étoiles, les planètes doivent être plus proches d’eux pour attirer suffisamment de chaleur pour permettre à l’eau liquide de s’accumuler sur leurs surfaces.

Parmi les découvertes récentes les plus séduisantes dans les systèmes de naines rouges figurent des planètes comme Proxima Centauri b, ou tout simplement Proxima b. C’est l’exoplanète la plus proche. Il y a également sept planètes rocheuses dans le système voisin TRAPPIST-1. La question de savoir si ces planètes pourraient soutenir la vie est toujours un sujet de débat. Les scientifiques soulignent que les naines rouges peuvent cracher jusqu’à 500 fois plus de rayonnements ultraviolets et de rayons X nocifs sur leurs planètes que le Soleil n’est éjecté dans le système solaire. À première vue, cet environnement dépouillerait les atmosphères, évaporerait les océans et ferait frire l’ADN sur n’importe quelle planète proche d’une naine rouge.

Pourtant, peut-être pas. Les modèles climatiques de la Terre montrent que les exoplanètes rocheuses autour des naines rouges pourraient être habitables malgré le rayonnement.

La magie est dans les nuages

Anthony Del Genio est un climatologue planétaire récemment retraité du Goddard Institute for Space Studies de la NASA à New York. Au cours de sa carrière, il a simulé les climats de la Terre et d’autres planètes, y compris Proxima b.

L’équipe de Del Genio a récemment simulé des climats possibles sur Proxima b pour tester combien de la laisseraient suffisamment chaude et humide pour accueillir la vie. Ce type de travail de modélisation aide les scientifiques de la NASA à identifier une poignée de planètes prometteuses dignes d’une étude plus rigoureuse avec le prochain télescope spatial James Webb de la NASA.

“Bien que notre travail ne puisse pas dire aux observateurs si une planète est habitable ou non, nous pouvons leur dire si une planète se trouve au milieu des bons candidats pour aller plus loin”, a déclaré Del Genio.

Proxima b orbite autour de Proxima Centauri dans un système à trois étoiles situé à seulement 4,2 années-lumière du Soleil. En plus de cela, les scientifiques n’en savent pas grand-chose. Ils croient qu’il est rocheux, sur la base de sa masse estimée, qui est légèrement plus grande que celle de la Terre. Les scientifiques peuvent déduire la masse en observant la quantité de Proxima b qui tire sur son étoile alors qu’elle l’orbite.

Le problème avec Proxima b est qu’il est 20 fois plus proche de son étoile que la Terre n’est du Soleil. Par conséquent, il ne faut à la planète que 11,2 jours pour faire une orbite (la Terre met 365 jours pour orbiter une seule fois avec le Soleil). La physique dit aux scientifiques que cet arrangement confortable pourrait laisser Proxima b verrouillé gravitationnellement à son étoile, comme la Lune est gravitationnellement verrouillée sur la Terre. Si c’est vrai, un côté de Proxima b fait face au rayonnement intense de l’étoile tandis que l’autre se fige dans l’obscurité de l’espace dans une recette planétaire qui n’augure rien de bon pour la vie de chaque côté.

Mais les simulations de Del Genio montrent que Proxima b, ou n’importe quelle planète aux caractéristiques similaires, pourrait être habitable malgré les forces qui conspirent contre elle. “Et les nuages ​​et les océans jouent un rôle fondamental à cet égard”, a déclaré Del Genio.

L’équipe de Del Genio a mis à niveau un modèle de climat terrestre développé pour la première fois dans les années 1970 pour créer un simulateur planétaire appelé ROCKE-3D. La question de savoir si Proxima b a une atmosphère est une question ouverte et critique qui, espérons-le, sera réglée par les futurs télescopes. Mais l’équipe de Del Genio a supposé que oui.

Avec chaque simulation, l’équipe de Del Genio a varié les types et les quantités de gaz à effet de serre dans l’air de Proxima b. Ils ont également changé la profondeur, la taille et la salinité de ses océans et ajusté le rapport de la terre à l’eau pour voir comment ces ajustements pourraient influencer le climat de la planète.

Des modèles tels que ROCKE-3D ne commencent qu’avec des grains d’informations de base sur une exoplanète: sa taille, sa masse et sa distance par rapport à son étoile. Les scientifiques peuvent déduire ces choses en observant la lumière d’une étoile plongeante lorsqu’une planète passe devant elle, ou en mesurant le tiraillement gravitationnel d’une étoile alors qu’une planète la contourne.

Ces détails physiques rares informent des équations qui comprennent jusqu’à un million de lignes de code informatique nécessaires pour construire les modèles climatiques les plus sophistiqués. Le code demande à un ordinateur comme le supercalculateur Discover de la NASA d’utiliser les règles de la nature établies pour simuler les systèmes climatiques mondiaux. Parmi de nombreux autres facteurs, les modèles climatiques tiennent compte de la façon dont les nuages ​​et les océans circulent et interagissent et de la manière dont le rayonnement solaire interagit avec l’atmosphère et la surface d’une planète.

Lorsque l’équipe de Del Genio a exécuté ROCKE-3D sur Discover, ils ont vu que les nuages ​​hypothétiques de Proxima b agissaient comme un parasol massif en déviant le rayonnement. Cela pourrait faire baisser la température du côté exposé au soleil du Proxima b de trop chaud à chaud.

D’autres scientifiques ont découvert que Proxima b pouvait former des nuages ​​si massifs qu’ils effaceraient le ciel entier si l’on regardait de la surface.

“Si une planète est verrouillée gravitationnellement et tourne lentement sur son axe, un cercle de nuages ​​se forme devant l’étoile, pointant toujours vers elle. Cela est dû à une force connue sous le nom d’effet Coriolis, qui provoque une convection à l’endroit où l’étoile chauffe l’atmosphère “, a déclaré Ravi Kopparapu, un scientifique planétaire Goddard de la NASA qui modélise également les climats potentiels des exoplanètes. “Notre modélisation montre que Proxima b pourrait ressembler à ceci.”

En plus de rendre le côté jour de Proxima b plus tempéré que prévu, une combinaison d’atmosphère et de circulation océanique déplacerait l’air chaud et l’eau autour de la planète, transportant ainsi la chaleur vers le côté froid. “Donc, non seulement vous empêchez l’atmosphère du côté nocturne de geler, vous créez des parties du côté nuit qui maintiennent en fait de l’eau liquide à la surface, même si ces parties ne voient pas de lumière”, a déclaré Del Genio.

Un nouveau regard sur un ancien modèle

Les atmosphères sont des enveloppes de molécules autour des planètes. En plus d’aider à maintenir et à faire circuler la chaleur, les atmosphères distribuent des gaz qui nourrissent la vie ou sont produits par elle.

Ces gaz sont les soi-disant «biosignatures» que les scientifiques rechercheront dans l’atmosphère des exoplanètes. Mais ce qu’ils devraient chercher exactement est encore indécis.

La Terre est la seule preuve que les scientifiques ont de la chimie d’une atmosphère qui soutient la vie. Pourtant, ils doivent être prudents lorsqu’ils utilisent la chimie de la Terre comme modèle pour le reste de la galaxie. Les simulations du scientifique planétaire Goddard Giada Arney, par exemple, montrent que même quelque chose d’aussi simple que l’oxygène – le signe par excellence de la vie végétale et de la photosynthèse sur la Terre moderne – pourrait présenter un piège.

Le travail d’Arney met en évidence quelque chose d’intéressant. Si des civilisations extraterrestres avaient pointé leurs télescopes vers la Terre il y a des milliards d’années dans l’espoir de trouver une planète bleue nageant dans l’oxygène, elles auraient été déçues; peut-être auraient-ils tourné leurs télescopes vers un autre monde. Mais au lieu de l’oxygène, le méthane aurait pu être la meilleure biosignature à rechercher il y a 3,8 à 2,5 milliards d’années. Cette molécule était produite en abondance à l’époque, probablement par les micro-organismes qui prospéraient tranquillement dans les océans.

“Ce qui est intéressant à propos de cette phase de l’histoire de la Terre, c’est qu’elle était si étrangère par rapport à la Terre moderne”, a déclaré Arney. “Il n’y avait pas encore d’oxygène, donc ce n’était même pas un point bleu pâle. C’était un point orange pâle”, a-t-elle dit, faisant référence à la brume orange produite par le smog de méthane qui aurait pu couvrir la Terre au début.

Des résultats comme celui-ci, a déclaré Arney, “ont élargi notre réflexion sur ce qui est possible parmi les exoplanètes”, aidant à élargir la liste des biosignatures que les scientifiques planétaires rechercheront dans des atmosphères lointaines.

Construire un plan pour les chasseurs de l’atmosphère

Bien que les leçons des modèles climatiques planétaires soient théoriques – ce qui signifie que les scientifiques n’ont pas eu l’occasion de les tester dans le monde réel – elles offrent un modèle pour les observations futures.

L’un des principaux objectifs de la simulation des climats est d’identifier les planètes les plus prometteuses vers lesquelles se tourner avec le télescope Webb et d’autres missions afin que les scientifiques puissent utiliser le temps de télescope limité et coûteux le plus efficacement possible. De plus, ces simulations aident les scientifiques à créer un catalogue de signatures chimiques potentielles qu’ils détecteront un jour. Le fait d’avoir une telle base de données sur laquelle s’appuyer les aidera à déterminer rapidement le type de planète qu’ils regardent et à décider de continuer à sonder ou de tourner leurs télescopes ailleurs.

Découvrir la vie sur des planètes lointaines est un pari, a noté Del Genio: “Donc, si nous voulons observer le plus sagement, nous devons prendre les recommandations des modèles climatiques, car cela ne fait qu’augmenter les chances.”

Les chercheurs et les scientifiques décrits dans cette histoire font partie de la collaboration des vendeurs d’exoplanètes ou SEEC, au Goddard Space Flight Center de la NASA. La collaboration multidisciplinaire rassemble des experts des sciences planétaires et de la Terre, avec ceux de l’astrophysique et de l’héliophysique, pour construire les modèles informatiques les plus complets et sophistiqués d’exoplanètes afin de mieux se préparer aux observations actuelles et futures des exoplanètes. Pour en savoir plus, visitez: https://seec.gsfc.nasa.gov/index.html.

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