Lors de la chasse aux exoplanètes potentiellement habitables, l'une des choses les plus importantes que les astronomes recherchent est de savoir si les candidats aux exoplanètes gravitent autour de la zone habitable de leur étoile. Cela est nécessaire pour que l'eau liquide existe à la surface d'une planète, ce qui est à son tour une condition préalable à la vie telle que nous la connaissons. Cependant, au cours de la découverte de nouvelles exoplanètes, les scientifiques ont pris conscience d'un cas extrême connu sous le nom de «mondes de l'eau».
Les mondes aquatiques sont essentiellement des planètes contenant jusqu'à 50% d'eau en masse, ce qui entraîne des océans de surface qui pourraient atteindre des centaines de kilomètres de profondeur. Selon une nouvelle étude réalisée par une équipe d'astrophysiciens de Princeton, de l'Université du Michigan et de Harvard, les mondes aquatiques pourraient ne pas être en mesure de s'accrocher à leur eau très longtemps. Ces découvertes pourraient être d'une immense importance pour la chasse aux planètes habitables dans notre cou du cosmos.
Cette étude la plus récente, intitulée «La déshydratation des mondes aquatiques via les pertes atmosphériques», a récemment paru dans The Astrophysical Journal Letters. Dirigée par Chuanfei Dong du Département des sciences astrophysiques de l'Université de Princeton, l'équipe a effectué des simulations informatiques qui ont tenu compte du type de conditions auxquelles les mondes aquatiques seraient soumis.
Cette étude a été largement motivée par le nombre de découvertes d'exoplanètes autour de systèmes stellaires de faible masse de type M (naine rouge) ces dernières années. Ces planètes se sont avérées comparables en taille à la Terre - ce qui indique qu'elles étaient probablement terrestres (c'est-à-dire rocheuses). De plus, plusieurs de ces planètes - comme Proxima b et trois planètes du système TRAPPIST-1 - se trouvaient en orbite dans les zones habitables des étoiles.
Cependant, des études ultérieures ont indiqué que Proxima b et d'autres planètes rocheuses en orbite autour des étoiles naines rouges pourraient en fait être des mondes aquatiques. Cela était basé sur des estimations de masse obtenues par des levés astronomiques et les hypothèses intégrées selon lesquelles ces planètes étaient de nature rocheuse et n'avaient pas d'atmosphères massives. Dans le même temps, de nombreuses études ont été produites qui ont mis en doute la capacité de ces planètes à conserver leur eau.
Fondamentalement, tout se résume au type d'étoile et aux paramètres orbitaux des planètes. Bien que les étoiles naines rouges à longue durée de vie soient connues pour être variables et instables par rapport à notre Soleil, ce qui entraîne des éruptions périodiques qui dépouilleraient l'atmosphère d'une planète au fil du temps. En plus de cela, les planètes en orbite dans la zone habitable d'une naine rouge seraient probablement verrouillées par les marées, ce qui signifie qu'un côté de la planète serait constamment exposé au rayonnement de l'étoile.
Pour cette raison, les scientifiques se concentrent sur la détermination de la capacité des exoplanètes de différents types de systèmes stellaires à conserver leur atmosphère. Comme le Dr Dong l'a dit à Space Magazine par e-mail:
«Il est juste de dire que la présence d'une atmosphère est perçue comme l'une des exigences pour l'habitabilité d'une planète. Cela dit, le concept d'habitabilité est complexe et implique une multitude de facteurs. Ainsi, une atmosphère à elle seule ne suffira pas à garantir l'habitabilité, mais elle peut être considérée comme un ingrédient important pour qu'une planète soit habitable. »
Pour tester si un monde aquatique serait capable de conserver son atmosphère, l'équipe a effectué des simulations informatiques qui ont pris en compte une variété de scénarios possibles. Ceux-ci comprenaient les effets des champs magnétiques stellaires, des éjections de masse coronale et de l'ionisation et de l'éjection atmosphériques pour divers types d'étoiles - y compris les étoiles de type G (comme notre Soleil) et les étoiles de type M (comme Proxima Centauri et TRAPPIST-1).
Ces effets étant pris en compte, le Dr Dong et ses collègues ont élaboré un modèle complet qui simulait la durée de l'atmosphère des exoplanètes. Comme il l'a expliqué:
«Nous avons développé un nouveau modèle magnétohydrodynamique multi-fluide. Le modèle a simulé à la fois l'ionosphère et la magnétosphère dans leur ensemble. En raison de l'existence du champ magnétique dipolaire, le vent stellaire ne peut pas emporter l'atmosphère directement (comme Mars en raison de l'absence d'un champ magnétique dipolaire mondial), mais la perte d'ions atmosphériques a été causée par le vent polaire.
«Les électrons sont moins massifs que leurs ions parents et, par conséquent, sont plus facilement accélérés jusqu'à et au-delà de la vitesse d'échappement de la planète. Cette séparation de charges entre les électrons de faible masse qui s'échappent et les ions chargés positivement plus lourds créent un champ électrique de polarisation. Ce champ électrique, à son tour, agit pour attirer les ions chargés positivement derrière les électrons qui s'échappent, hors de l'atmosphère dans les calottes polaires. »
Ils ont découvert que leurs simulations informatiques étaient conformes au système Terre-Soleil actuel. Cependant, dans certaines possibilités extrêmes - telles que des exoplanètes autour d'étoiles de type M - la situation est très différente et les taux d'évasion pourraient être mille fois supérieurs ou supérieurs. Le résultat signifie que même un monde aquatique, s'il orbite autour d'une étoile naine rouge, pourrait perdre son atmosphère après environ un gigayear (Gyr), un milliard d'années.
Étant donné que la vie telle que nous la connaissons a mis environ 4,5 milliards d'années à évoluer, un milliard d'années est une fenêtre relativement brève. En fait, comme l'a expliqué le Dr Dong, ces résultats indiquent que les planètes qui orbitent autour des étoiles de type M auraient du mal à développer la vie:
"Nos résultats indiquent que les planètes océaniques (en orbite autour d'une étoile semblable au Soleil) conserveront leur atmosphère beaucoup plus longtemps que l'échelle de temps Gyr car les taux d'échappement ioniques sont beaucoup trop bas, donc, cela permet à une durée de vie plus longue de prendre naissance sur ces planètes" et évoluer en termes de complexité. En revanche, pour les exoplanètes en orbite autour des naines M, leurs océans pourraient s'épuiser sur l'échelle de temps Gyr en raison des environnements de particules et de rayonnement plus intenses que les exoplanètes connaissent dans les zones habitables proches. Si l'atmosphère devait s'épuiser sur une échelle de temps inférieure à celle de Gyr, cela pourrait s'avérer problématique pour l'origine de la vie (abiogenèse) sur la planète. »
Encore une fois, ces résultats jettent un doute sur l'habitabilité potentielle des systèmes d'étoiles naines rouges. Dans le passé, les chercheurs ont indiqué que la longévité des étoiles naines rouges, qui peuvent rester dans leur séquence principale jusqu'à 10 000 milliards d'années ou plus, en font le meilleur candidat pour trouver des exoplanètes habitables. Cependant, la stabilité de ces étoiles et la façon dont elles sont susceptibles de dépouiller les planètes de leur atmosphère semblent indiquer le contraire.
Des études comme celle-ci sont donc très importantes en ce qu'elles aident à déterminer combien de temps une planète potentiellement habitable autour d'une étoile naine rouge pourrait rester potentiellement habitable. Dong a indiqué:
«Compte tenu de l'importance des pertes atmosphériques sur l'habitabilité planétaire, il y a eu un grand intérêt à utiliser des télescopes tels que le prochain James Webb Space Telescope (JWST) pour déterminer si ces planètes ont des atmosphères et, si oui, à quoi ressemble leur composition. . On s'attend à ce que le JWST soit capable de caractériser ces atmosphères (le cas échéant), mais la quantification précise des taux de fuite nécessite un degré de précision beaucoup plus élevé et pourrait ne pas être réalisable dans un avenir proche. »
L'étude est également importante en ce qui concerne notre compréhension du système solaire et de son évolution. À un moment donné, les scientifiques se sont aventurés que la Terre et Vénus étaient peut-être des mondes aquatiques. Comment ils sont passés de très aqueux à ce qu'ils sont aujourd'hui - dans le cas de Vénus, sec et infernal; et dans le cas de la Terre, avoir plusieurs continents - est une question primordiale.
À l’avenir, des enquêtes plus détaillées devraient permettre de faire la lumière sur ces théories concurrentes. Lorsque le télescope spatial James Webb (JWST) sera déployé au printemps 2018, il utilisera ses puissantes capacités infrarouges pour étudier les planètes autour des naines rouges à proximité, Proxima b étant l'une d'entre elles. Ce que nous apprenons à ce sujet et sur d'autres exoplanètes éloignées contribuera grandement à notre compréhension de l'évolution de notre propre système solaire.
