Planètes et exo-planètes
Cinquante années d’exploration du système solaire par des sondes interplanétaires nous ont révélé une incroyable diversité d’objets : Diversité des planètes, avec les quatre planètes telluriques (Mercure, Vénus, la Terre, Mars), la ceinture principale d’astéroïdes, les deux géantes gazeuses (Jupiter et Saturne) et les deux géantes glacées (Uranus et Neptune), et au-delà un immense réservoir d’objets glacés de toutes tailles[1], dont des planètes naines comme Pluton. Diversité également des satellites des planètes géantes avec les lacs de méthane de Titan, les volcans de Io et les surfaces glacées d’Europe ou Ganymède. Et pourtant tous ces objets se sont formés à partir d’un même nuage de gaz et de poussières au centre duquel se trouvait le Soleil naissant.
Nous commençons depuis quelques années à détecter des planètes autour d’autres étoiles proches et là encore c’est la diversité de ces systèmes extrasolaires qui étonne. On a d’abord trouvé de nombreux « Jupiter chauds », c’est-à-dire de grosses planètes très massives orbitant près de leur étoile, mais cela est dû à un biais car la sensibilité des moyens d’observation dont on disposait ne permettant de détecter que de telles planètes. Au fur et à mesure que nos outils sont devenus plus performants, en combinant les observations depuis le sol et depuis l’espace, on a mis en évidence des planètes qui ressemblent davantage à notre Terre, des « super Terre » dont le diamètre est moins du double du diamètre terrestre, à des distances de leur étoile qui pourrait être compatible avec la présence d’eau liquide à leur surface, et dont la densité moyenne laisse penser qu’elles sont probablement rocheuses. Mais on a aussi mis en évidence des objets plus exotiques, tels que des planètes autour d’un pulsar, dernier stade de l’évolution d’une étoile massive, et qui ont donc survécu aux phases terminales de la vie de l’étoile, de sa dilatation en géante rouge jusqu’à son explosion finale en supernova.
Là encore nous sommes confrontés à une incroyable diversité et notre système solaire, le seul que nous soyons en mesure d’étudier in situ, apparaît en fait comme très particulier. La question de l’émergence de la vie dans ces mondes lointains se pose évidemment. Puisque le système solaire ne peut plus apparaître comme le modèle des systèmes planétaires nous devons nous poser la question des conditions nécessaires à l’apparition de la vie, c’est-à-dire d’êtres complexes capables de se reproduire à l’identique et pourvus d’un métabolisme tirant son énergie du milieu extérieur soit directement à l’exemple de la photosynthèse, soit via des réactions chimiques consommant des nutriments et rejetant des déchets.
Alors, la vie existe-t-elle dans l’univers proche ? Nous ne sommes pas encore en mesure de voir directement ces planètes, ni de sonder la composition de leur atmosphère pour y chercher les signatures d’une activité biologique éventuelle ou probable, mais ça n’est qu’une question de temps. D’ici quelques années ou quelques décennies tout au plus, avec l’aide d’observatoires spatiaux comme le James Webb Space Telescope, et d’observatoires au sol comme le futur European Extremely Large Telescope, cela devrait être possible.
Les ingrédients de la vie
Aujourd’hui, les astronomes s’attachent particulièrement à rechercher des planètes ressemblant à la Terre orbitant autour d’étoiles plus ou moins semblables à notre Soleil. La démarche peut sembler biaisée, c’est un peu comme chercher ses clefs perdues la nuit au pied du réverbère : nous cherchons ce que nous connaissons. En fait de même qu’on observe une grande diversité entre les planètes du système solaire ainsi qu’entre les systèmes planétaires, peut-être après tout y a-t-il aussi une grande diversité de manifestations de la vie.
Il y a cependant consensus sur quelques ingrédients de base indispensables à l’émergence de la vie : d’abord la vie doit être basée sur la chimie du carbone ; en effet le carbone est l’atome qui possède le plus de plasticité chimique par sa capacité à se lier avec d’autres atomes de carbone ainsi qu’avec d’autres éléments, hydrogène, oxygène, azote, et ainsi construire des molécules d’une grande variété et d’une grande complexité. Dans les astéroïdes et les comètes, résidus de la formation du système solaire[2], dans la matière interplanétaire, dans les nuages interstellaires on détecte un grand nombre de molécules organiques simples, qui peuvent servir de briques de base pour l’élaboration de molécules plus complexes. On s’est naguère demandé si une vie basée sur le silicium était possible ; en effet le silicium possède une configuration électronique externe semblable à celle du carbone et pourrait donc a priori participer à des liaisons chimiques comme le carbone ; cependant dans les faits la chimie du silicium est assez pauvre et le silicium apparaît le plus souvent sous forme de silicates dans lesquels il est associé à l’oxygène ; en effet les silicates sont les constituants principaux des poussières interstellaires à partir desquelles se formeront plus tard les planètes rocheuses. Pour résumer, la matière qui constitue les planètes et leurs éventuels habitants comprend essentiellement la matière organique, basée sur la riche chimie du carbone, et la matière minérale, basée sur les silicates.
Un autre ingrédient indispensable est la présence d’eau liquide. La soupe d’où peut émerger la vie a besoin d’un solvant efficace. L’eau est le composant le plus répandu dans l’univers : elle est déjà présente dans les nébuleuses où se forment les étoiles, elle est un des constituants majeurs des comètes et des objets trans-neptuniens ; certains de satellites des planètes géantes abritent un océan liquide sous une croûte de glace[3] et les modèles prédisent l’existence de planètes dont le noyau rocheux serait entièrement recouvert d’un océan. L’origine de l’eau des océans terrestre est encore en débat : vient-elle du dégazage de la Terre primitive et de l’intense activité volcanique de la jeune planète, a-t-elle été apportée par les bombardements intenses d’astéroïdes et de comètes subis par la celle-ci d’abord dans sa phase de formation puis ultérieurement lors du grand bombardement tardif survenu 500 millions d’années plus tard ?
Enfin il faut une macromolécule capable de porter et de transmettre une information permettant la réplication de l’organisme et contrôlant son métabolisme. Sur Terre, ce rôle est joué par l’ADN, mais il est vraisemblable que les premières formes de vie sur Terre ont utilisé des molécules moins complexes que l’ADN, peut-être l’ARN qui peut aussi assurer une fonction de catalyseur de certaines réactions métaboliques ; il est possible qu’une vie extraterrestre soit basée sur d’autres molécules.
Une question clé est celle de la chiralité : la chiralité est ce qui distingue une main droite d’une main gauche ; de nombreuses molécules organiques existent sous deux formes distinctes, images l’une de l’autre dans un miroir comme le sont une main droite et une main gauche. Or il apparait que la vie terrestre a toujours une préférence pour l’une de ces deux formes. Par exemple, les acides aminés, qui sont les briques de base des protéines et des enzymes, sont tous de forme gauche, alors que les sucres, dont certains participent à l’élaboration des acides nucléiques, sont tous de forme droite. Si vous mangez du sucre gauche votre organisme sera incapable de le métaboliser et l’éliminera. Si vous réalisez une opération de synthèse sans précaution particulière, vous obtenez les deux formes droite et gauche en égales proportions ; cependant dans certaines conditions il est possible de favoriser la synthèse d’une des deux variétés ; on parle alors de synthèse asymétrique. Il a ainsi été montré expérimentalement[4] qu’en éclairant par un rayonnement ultraviolet polarisé, comme celui émis par une jeune étoile en rotation rapide, un échantillon simulant la matière interstellaire et constitué notamment de composés organiques simples, on favorise de manière asymétrique la synthèse de composés plus complexes. On a peut-être là la clé de l’asymétrie fondamentale de la vie terrestre, mais que celle-ci ait choisi une des deux formes plutôt que l’autre ne semble pas essentiel.
Dans une expérience célèbre des années 50 l’américain S. Miller a voulu montrer qu’il était possible de synthétiser des acides aminés dans les conditions qui, supposait-il, simulaient celles qui régnaient sur la terre primitive. Pour ce faire il a chauffé un ballon contenant de l’eau, représentant un océan primordial, surmontée par une atmosphère de méthane et d’ammoniac parcourue de décharges électriques simulant des orages. On peut aussi éclairer le système par une lumière ultraviolette, car le jeune Soleil en émettait beaucoup plus qu’aujourd’hui et la Terre n’était pas encore protégée des rayons ultraviolets par une couche d’ozone. Au bout d’un certain temps l’eau du ballon se charge progressivement en acides aminés. Si l’expérience de Miller a eu un retentissement considérable, on sait aujourd’hui qu’en fait l’atmosphère de la Terre primitive n’était pas dominée par le méthane et l’ammoniac, ainsi que par la vapeur d’eau, mais que le carbone était présent sous forme de dioxyde de carbone et non de méthane et l’azote sous forme de diazote et non d’ammoniac. Récemment, l’atterrisseur Philae, largué par la sonde européenne Rosetta à la surface de la comète Churyumov-Guerasimenko, a mis en évidence la présence dans la matière de cette comète de divers composants organiques précurseurs des acides aminés et des acides nucléiques. On peut penser que c’est le bombardement intense de la Terre primitive par les astéroïdes et les comètes qui a enrichi la jeune planète en composés organiques.
Sur Terre, des conditions très particulières
Cependant les conditions qui ont conduit à l’apparition de la vie sur Terre sont très particulières. Il y a d’abord l’existence d’une magnétosphère qui protège la planète du flux de particules chargées émises par le Soleil, protons et électrons principalement, qui constituent ce qu’on appelle le vent solaire. En effet la Terre possède un noyau métallique liquide, composé de fer et de nickel, dont les mouvements engendrent un champ magnétique, ce qu’on appelle l’effet dynamo. La Terre se comporte comme un aimant géant, qui défléchit la trajectoire des particules émises par le Soleil, notamment lors d’éruptions spectaculaires à sa surface. Dans les régions polaires où ce champ magnétique est plus faible, les particules chargées peuvent pénétrer dans l’atmosphère et interagir avec elle, ce qui donne les phénomènes d’aurores boréales dans l’hémisphère nord et australes dans l’hémisphère sud. L’atmosphère de Mars, qui n’a pas de magnétosphère, ou dont l’effet dynamo s’est arrêté de façon précoce, s’est trouvée directement exposée au vent solaire ; les particules chargées ont brisé les molécules, que la faible gravité de la planète n’a pu retenir, et c’est ainsi qu’elle a perdu la plus grande partie de son atmosphère, et qu’elle continue de perdre son atmosphère résiduelle.
Une caractéristique remarquable de la Terre est l’existence d’un gros satellite, la Lune, qui stabilise la direction de l’axe de rotation de la Terre par rapport au plan de l’orbite. Mars n’a pas un tel satellite et son axe de rotation oscille périodiquement au cours du temps entre 15 degrés et 40 degrés environ, ce qui influe dramatiquement sur les cycles climatiques : à certaines périodes les glaces de Mars se concentrent sur les pôles et à d’autres périodes dans les régions équatoriales. Au contraire l’axe de rotation de la Terre fluctue peu.
Une autre particularité de la Terre est l’existence d’une tectonique de plaques : l’écorce terrestre est constituée de plaques qui glissent les unes par rapport aux autres à la surface du manteau terrestre ; ces plaques peuvent s’affronter ou glisser l’une sous l’autre.
Par ailleurs, les premières planètes extrasolaires découvertes étaient comme on l’a dit des « Jupiter chauds », de très grosses planètes proches de leur étoile ; l’existence de ces nombreux Jupiter chauds a révélé un ingrédient fondamental de la formation des systèmes planétaires : le phénomène de migration des planètes géantes vers l’étoile centrale après leur formation. Jusqu’à une période récente on disposait d’un modèle simple de formation du système solaire : les planètes rocheuses se formaient près de l’étoile, et les planètes gazeuses dans les régions froides loin de l’étoile. Or le phénomène de migration est en fait très banal : toutes les planètes se forment à partir d’un disque de gaz et de poussières entourant l’étoile naissante, des planétésimaux se forment qui s’agrègent pour donner des objets plus gros ; les planètes géantes se forment loin de l’étoile mais elles sont freinées par interaction avec le disque de planétésimaux et migrent vers l’intérieur du système planétaire, la migration se poursuivant jusqu’à ce que le disque soit épuisé. Dans le cas du système solaire, ce mécanisme s’est bien mis en place ; Jupiter puis Saturne ont entrepris de migrer vers l’intérieur du système solaire mais se sont arrêtées en chemin. Lors de cette migration s’est produit un phénomène de résonance entre les périodes orbitales de Jupiter et de Saturne, Saturne accomplissant une révolution autour du Soleil tandis que Jupiter en accomplissait deux[5]. Cette résonance orbitale des géantes gazeuses Jupiter et Saturne a eu pour effet de perturber de façon majeure les orbites des géantes glacées Uranus et Neptune ainsi que la dynamique du système solaire extérieur : des corps glacés orbitant au-delà de Neptune ont été projetés vers l’intérieur du système solaire, provoquant ce qu’on a appelé « le grand bombardement tardif » il y a 4 milliards d’années environ. A la fin de cette période, le système solaire avait à peu près sa configuration actuelle.
En résumé, les conditions qui ont accompagné l’apparition de la vie sur Terre sont très particulières et la probabilité qu’elles se soient toutes reproduites ailleurs est très faible. Elles sont suffisantes puisque nous sommes là pour en parler mais sont-elles toutes nécessaires ? Il est possible que des conditions différentes aient pu ailleurs être compatibles avec l’apparition de la vie.
La vie est-elle un phénomène rare ?
Les organismes vivants sur Terre présentent une incroyable diversité de formes, de comportements, de métabolismes. Nous savons par exemple que l’oxygène n’est pas essentiel à la vie : des micro-organismes qui vivent à proximité des sources chaudes qu’on trouve le long des dorsales, ces chaînes de montagnes des grands fonds océaniques, tirent leur énergie de réactions chimiques dans lesquelles le soufre tient le rôle de l’oxygène. Et l’oxygène de l’atmosphère terrestre provient principalement de l’activité de photosynthèse d’algues microscopiques anaérobies qui ont été pendant des centaines de millions d’années les seules formes de vie terrestre.
Diversité du vivant sur Terre, diversité des planètes du système solaire, diversité des satellites des planètes géantes, diversité des systèmes exo-planétaires ; si les lois de la physique et de la chimie sont les mêmes partout elles se traduisent par une fantastique variété de manifestations.
Nous ne savons pas aujourd’hui si la vie existe ailleurs dans l’univers, a fortiori une vie intelligente. Est-elle, avec sans doute une grande diversité de formes, un phénomène très répandu dans l’univers, ou bien un phénomène très rare, voire unique ? Après tout, il y a des centaines de milliards de galaxies dans l’univers observable, et chacune contient des centaines de milliards d’étoiles. Puisque la formation des systèmes planétaires accompagne la naissance des nouvelles étoiles, beaucoup de ces étoiles ont très probablement un cortège de planètes, et on pourrait penser que ce serait bien le diable si dans le tas il n’y en avait pas quelques-unes où une forme de vie ait pu apparaître. Oui mais … il faut que l’étoile ne soit pas trop âgée car les très vieilles étoiles ne rayonnent plus d’énergie ; de surcroît les premières générations d’étoiles n’avaient peut-être pas de planètes, ou du moins de planètes susceptibles d’abriter la vie, car c’est dans le cœur des anciennes générations d’étoiles qu’ont été fabriqués les éléments chimiques dont sont faits les organismes vivants. Il faut ensuite que l’étoile ne soit pas trop massive car les étoiles très massives ont une vie brève, donc incompatible avec l’émergence d’une évolution biologique. Pour que l’eau liquide puisse durablement exister à sa surface, la planète ne doit pas être ni trop près ni trop loin de l’étoile, ce qu’on appelle sa zone habitable, mais cette distance à l’étoile n’est pas le seul facteur d’habitabilité : la présence d’une atmosphère et dans cette atmosphère de gaz à effet de serre maintenant une température compatible avec la présence d’eau liquide est aussi un paramètre majeur ; sur Terre, par exemple, le principal gaz à effet de serre est la vapeur d’eau et sans l’effet de serre qu’elle produit, la température de surface serait de -40°C !
En fait, on combine un nombre très grand (le nombre estimé de planètes de l’univers visible) et un nombre très petit (la probabilité de retrouver ailleurs des conditions de type terrestre, ou du moins pas trop éloignées de celles-ci). Selon qu’il a le pifomètre optimiste ou pessimiste le lecteur en déduira qu’il est quasiment certain ou au contraire hautement improbable qu’E.T. existe, ait existé, ou existera quelque part.
Une diversité d’univers ?
Jusqu’au 16ème siècle la Terre était supposée au centre de l’univers, avec le Soleil, la Lune, les planètes et les étoiles tournant autour d’elle, et puis on a compris à la suite de Copernic que c’était une planète parmi plusieurs autres en mouvement autour du Soleil. On connait les ennuis que Galilée a eus avec l’Inquisition[6] pour avoir défendu les thèses de Copernic, thèses qui ne furent publiées qu’après la mort de ce dernier en 1543. En 1600 Giordano Bruno avait été brûlé pour avoir affirmé que les étoiles étaient d’autres soleils autour desquels orbitaient des planètes qui pouvaient abriter la vie. On finit cependant par admettre que le Soleil n’était qu’une étoile parmi des milliards d’autres qui constituaient la Voie Lactée. Mais on distinguait aussi des objets brillants étendus, encore flous, qui n’étaient pas des étoiles et qu’on appelait des nébuleuses. Au début du 20ème siècle il apparut que ces objets, les galaxies, étaient en fait constitués de milliards d’étoiles, et que notre Voie Lactée n’était qu’une galaxie parmi les milliards d’autres qui occupent l’univers visible. En allant plus loin on peut aussi imaginer que notre univers lui-même n’est qu’un parmi des milliards d’autres univers constituant ce qu’on appelle un multivers. De même qu’on recense une grande diversité d’étoiles, par leur taille, leur éclat, leur couleur, avec des objets exotiques comme les pulsars, ces étoiles mortes qui émettent un signal radio périodique, les galaxies apparaissent de divers types : en forme de lentille ou avec des bras spiraux, avec un noyau extrêmement lumineux ou pas … Dans la perspective des univers multiples, de même qu’on observe une grande diversité de planètes, d’étoiles et de galaxies, il se pourrait qu’il y ait aussi une grande diversité d’univers : par exemple les constantes physiques fondamentales y prendraient des valeurs différentes si bien que les évolutions de ces univers seraient très différentes de l’évolution du nôtre et que les lois de la physique et de la chimie y seraient également différentes. La formation d’étoiles et de planètes, la synthèse des éléments chimiques au cœur des étoiles et la capacité de ces atomes de s’assembler pour former des molécules complexes, seraient-elles possibles ? L’existence d’un univers capable d’abriter la vie ne serait peut-être alors qu’un phénomène exceptionnel.
Remerciements :
Mes sincères remerciements à Jean-Pierre Bibring, de l’Institut d’Astrophysique Spatiale (CNRS & Université d’Orsay) pour les nombreux échanges sur les sujets abordés dans cet article.
[1] Parmi les divers types d’objets orbitant au-delà de Neptune, on peut mentionner la ceinture de Kuiper en forme de tore, et, beaucoup plus éloigné, le nuage de Ort, qui a la forme d’une sphère enveloppant le système solaire et constitue un réservoir d’éventuelles futures comètes.
[2] Voir par exemple les résultats de la mission ROSETTA/PHILAE de l’Agence Spatiale Européenne dédiée à l’étude in situ du noyau d’une comète, en l’occurrence 67P/Churyumov-Gerasimenko. Le noyau cométaire renferme une énorme quantité de matière organique. La matière échappée du noyau est constituée de composés volatiles, vapeur d’eau H2O, monoxyde de carbone CO, méthane CH4 et nombreuses petites molécules organiques (alcools, aldéhydes, amines, amides, nitriles), et de grains solides entre 10µ et 1mm. Ceux-ci sont constitués à 55% de minéraux (essentiellement des silicates anhydres) et de 45% de matière organique, notamment sous forme de polymères complexes, cf« High-molecular-weight organic matter in the particles of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko », Fray, N., Bardyn, A., Cottin, H., Altwegg, K., Baklouti, D., Briois, C., Colangeli, L., Engrand, C., Fischer, H., Glasmachers, A., Grün, E., Haerendel, G., Henkel, H., Höfner, H., Hornung, K., Jessberger, E.K., Koch, A., Krüger, H., Langevin, Y., Lehto, H., Lehto, K., Roy, L.L., Merouane, S., Modica, P., Orthous-Daunay, F.-R., Paquette, J., Raulin, F., Rynö, J., Schulz, R., Silén, J., Siljeström, S., Steiger, W., Stenzel, O., Stephan, T., Thirkell, L., Thomas, R., Torkar, K., Varmuza, K., Wanczek, K.-P., Zaprudin, B., Kissel, J. and Hilchenbach, M. Nature (septembre 2016), http://dx.doi.org/10.1038/nature19320.
[3] C’est l’effet de marée qui rend possible l’existence d’eau liquide sous la surface gelée : l’attraction gravitationnelle exercée par une planète géante sur un satellite n’est pas la même pour les points de celui-ci les plus proches et les plus éloignés du centre de la géante, et déforme le satellite, tout comme l’attraction de la Lune déforme les océans terrestres ; cette déformation entraîne une friction, qui produit de la chaleur et c’est ce flux continu de chaleur qui maintient la présence d’un océan liquide sous la croûte de glace de Europe et Ganymède, deux satellites de Jupiter. Sur Europe, cet océan serait en contact avec le noyau rocheux de la petite planète alors que sur Ganymède il serait pris en sandwich entre la surface gelée et une épaisseur de glace qui recouvrirait le noyau.
[4] Voir les travaux de Louis d’Hendecourt et al. à l’institut d’Astrophysique Spatiale (CNRS & Université d’Orsay), par exemple cf «Interstellar ices: a possible scenario for symmetry breaking of extraterrestrial chiral organic molecules of prebiotic interest », L. d’Hendecourt, P. Modica, C. Meinert, L. Nahon, U.J. Meierheinrich, HAL Id: hal-02012274, https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02012274 (Février 2019)
[5] La résonance orbitale est alors dite 2 :1. Ce scénario est ce qu’on appelle le « Nice model » ou « beau modèle » proposé par A. Morbidelli et al. à l’Observatoire de Nice. Cette résonance excite les excentricités des orbites de Jupiter et de Saturne, ce qui perturbe Uranus et Neptune en augmentant les excentricités de leurs orbites ; le système devient chaotique, Uranus et Neptune sont repoussés vers l’extérieur du disque. Celui-ci devient fortement perturbé, de nombreux planétésimaux sont éjectés. Pendant cette phase le frottement dynamique dû aux interactions avec le disque amortit les excentricités des planètes et stabilise progressivement le système. Cette phase se poursuit jusqu’à ce que le disque soit épuisé. Les orbites finales sont proches de celles du système solaire actuel, cf R. Gomes, H. F. Levison, K. Tsiganis, A. Morbidelli, « Origin of the cataclysmic Late Heavy Bombardment period of the terrestrial planets », Nature, vol. 435, p. 466 (2005) DOI : 10.1038/nature03676.
Ce scénario a été complété par l’hypothèse du « Grand tack » qui postule que la migration de Jupiter et de Saturne se poursuit jusqu’à ce que les deux géantes se trouvent en résonance 3:2 plutôt que 2:1, c’est-à-dire que Jupiter accomplit 3 révolutions orbitales quand Saturne en accomplit 2, Jupiter se trouvant alors à peu près à la position actuelle de Mars. Les deux géantes rebroussent alors chemin jusqu’à leur position actuelle, l’ampleur de ce phénomène de migration à rebours dépendant des propriétés physiques du disque et de la quantité de matière accrétée par les planètes, cf K.J. Walsh, A. Morbidelli, S.N. Raymond, D.P. O’Brien, A.M. Mandell, « A low mass for Mars from Jupiter’s early gas-driven migration », Nature, vol. 475, p. 206 (2011) DOI : 10.1038/nature10201
[6] Galilée fut condamné en 1633 ne fut formellement réhabilité qu’en1992 !