A la rencontre des extra-terrestres dans les 20 ans : ceux qui y croient ou pas, la match des astrophysiciens

Atlantico : Qu'est-ce qui permet à Ellen Stofan, scientifique en chef de la Nasa à s'avancer aussi précisément ?

Olivier Sanguy : Notons tout d'abord un créneau qui s'étend sur 10 ans ! Ellen Stofan fait donc preuve d'une précision somme toute relative. On pourrait n'y voir qu'un effet d'annonce dans un contexte de difficultés budgétaires et qui vise donc à mettre en avant une découverte potentiellement importante afin de rappeler aux élus qu'il faut continuer à voter des budgets scientifiques ambitieux. N'oublions pas que la NASA est une agence fédérale et que ses moyens dépendent entièrement des lignes budgétaires votées par le Congrès américain. Toutefois, l'estimation d'Ellen Stofan est aussi d'un optimisme raisonnable ! Depuis quelques années, l'étude de notre système solaire avec des sondes ou avec des télescopes a montré plusieurs endroits susceptibles d'héberger le vivant. Certes plutôt sous une forme très simple, comme des microbes, mais ce serait déjà une avancée extraordinaire. De même, on trouve de plus en plus d'exoplanètes, ces planètes qui tournent autour d'autres soleils que le nôtre, "bien placées" et qui pourraient en théorie abriter du vivant si d'autres conditions sont réunies.

Marc Ollivier :La question de la vie (pas forcément humaine) dans l’univers doit être perçue comme une potentialité scientifique, dont on ne possède actuellement aucune preuve observationnelle ni aucun élément quantifiable. La difficulté à obtenir des éléments permettant de répondre à la question est multiple :

• Il est difficile d’identifier des critères observationnels précis et absolus de ce qu’est la vie à la seule connaissance de la vie et de l’environnement terrestre
• Intrinsèquement, l’observation et la spectroscopie des exoplanètes sont très difficiles car ces objets sont très peu lumineux, et bien souvent, complètement masqués par la présence de leur étoile.

Il est nécessaire pour étudier cette question de mieux comprendre les origines de la vie, son évolution, ainsi que la diversités des environnements planétaires propices à son développement. La tâche est immense, mais la discipline est toute jeune…

Pour l’instant, seuls les critères de densité de la planète et de calcul de la température d’équilibre associée (température qu’aurait un objet à cette distance de l’étoile) sont pris en compte pour considérer la nature et l’habitabilité potentielle d’une planète. On est incapable de dire si la planète possède une atmosphère et encore moins quelle en est la composition et si elle est compatible avec la vie. La condition d’existence d’eau liquide n’est pas encore vérifiable par l’observation. En conséquence, aucune planète ne peut actuellement être qualifiée d’ "habitable". Tout au plus peut-on dire qu’elle est dans la " zone d’habitabilité" de son étoile, mais cela n’apporte finalement pas grand chose de plus par rapport à seule la connaissance des paramètres orbitaux.

"Nous savons où chercher, nous savons comment le faire, et dans la plupart des cas nous en avons la technologie". Quelles sont les principales pistes auxquelles il est fait référence ? Et quel type de vie pourrons-nous probablement découvrir ?

Olivier Sanguy : Comme dit précédemment, on ne s'attend pas à trouver des petits hommes verts ! De simples microbes dans notre propre système solaire ailleurs que sur Terre serait déjà fabuleux. Pour ce qui est de notre système solaire, il s'agit principalement du sous-sol martien, mais aussi de certaines lunes de Jupiter (Europe et Ganymède) ou Saturne (Encelade) qui abriteraient un océan sous leur surface glacée. Soyons clair : rien de vivant n'y a été trouvé à ce jour, mais il s'agit d'endroits où le potentiel de présence de vie (éventuellement dans le passé d'ailleurs) est considéré plausible. Les lunes glacées de Jupiter sont ainsi déjà dans le collimateur de la NASA et de l'Agence Spatiale Europénne (ESA) qui ont des projets de sondes spécifiques. Mars sera à nouveau visitée, avec notamment un nouveau rover américain en 2020, sorte de Curiosity bis, qui emportera des expériences orientées vers la recherche du vivant. Avec ExoMars, l'ESA ambitionne son propre rover en 2018 capable de forer le sol jusqu'à 2 m de profondeur. Car si la surface de la planète rouge est stérile en raison des rayonnements, le sous-sol est peut-être protégé. Soulignons que si ces missions détectent du vivant ou des signes d'activité biologique, elles le feront dans l'intervalle de temps envisagé par Ellen Stofan ! Enfin, il ne faut pas négliger les exoplanètes. Le nombre de planètes situées en zone habitable de leur étoile (ni trop loin, ni trop près pour que l'eau liquide existe à leur surface si d'autres conditions sont réunies) ne cesse de croître. Ce sont autant de potentialités de découvrir un jour qu'un de ces mondes héberge probablement du vivant en analysant son atmosphère à distance par spectroscopie (analyse de la lumière). La présence de certains éléments comme l'oxygène ou le méthane seraient déjà des indices sérieux. La signature chimique de la chlorophylle par exemple serait elle une quasi confirmation ! Mais il faudrait des télescopes plus puissants que ceux dont nous disposons actuellement. Le James Webb Space Telescope (JWST) présenté comme le successeur d'Hubble dans l'espace, ou encore l'E-ELT (European Extremely Large Telescope) de presque 40 m de diamètre au sol, affichent tous deux des capacités inédites d'étude des exoplanètes. A nouveau, s'ils parviennent à détecter la signature de certaines molécules typiques du vivant dans l'atmosphère d'une ou plusieurs exoplanètes, le pronostic de Stofan pourra être considéré confirmé. Le potentiel est donc là, mais n'oublions pas qu'en science, passer du potentiel à la découverte est souvent un chemin semé d'embûches !

Astrophysiciens, astronomes et observateurs du ciel ont découvert près de 2 000 exoplanètes à ce jour. Au regard de leurs caractéristiques (proximité du soleil, composition gazeuse ou rocheuse), la Terre semble plutôt singulière, voire unique. Quels enseignements peut-on en tirer ?

Marc Ollivier : Il convient de rappeler que 97% de ces objets ont été détectés de manière indirecte, sans "voir" la planète, mais uniquement en observant leur effet sur l’étoile centrale. On ne sait donc presque rien de ces planètes hormis leurs paramètres orbitaux, une estimation de leur masse et parfois leur diamètre. L’étude de leur potentielle habitabilité ne peut se faire qu’en émettant des hypothèses sur la nature et les conditions physico-chimiques à leur surface. Toutes les planètes qualifiées à ce jour de "potentiellement habitables" ne répondent finalement qu’à deux critères très simples :

Ce sont des planètes a priori à surface solide : on évalue leur densité moyenne à partir de leur masse et diamètre et on détermine leur nature grâce à des modèles planétaires

Elles sont à une distance de leur étoile telle que si elle comportait de l’eau liquide à leur surface (considérée généralement comme une condition nécessaire à la vie) elle pourrait la conserver.

Encore faut-il avoir la preuve que ces planètes sont effectivement solides, ont une atmosphère, possèdent effectivement de l’eau liquide à leur surface. Actuellement, aucun moyen observationnel ne permet de le confirmer. Il faudra attendre les futurs observatoires spatiaux tels JWST (NASA/ESA)  ou EChO (en projet à l’ESA) pour confirmer cette hypothèse. On est encore loin d’identifier la vie.

Olivier Sanguy : Le premier enseignement est que la formation de planètes autour d’étoiles est plus la règle que l’exception. Auparavant, c’est-à-dire avant que cette « chasse aux exoplanètes » ne donne les succès qu’on connait, on pouvait supposer que la formation de planètes autour d’une étoile, comme c’est le cas pour notre Système solaire, s’avèrait exceptionnelle. Aujourd’hui, les observations montrent plutôt que lorsqu’une étoile se forme, elle est systématiquement ou quasi systématiquement accompagnée de ce qu’on appelle un disque proto-planétaire, disque de gaz et de poussière au sein duquel des mondes vont peu à peu émerger. Le télescope spatial Hubble ou encore récemment l’interféromètre ALMA au Chili, par exemple, ont récolté des données qui montrent l’existence de tels disques. La majorité des planètes découvertes au début étaient bien plus grandes que notre Terre et bien plus proches de leur étoile. Mais il y a là ce qu’on appelle un biais observationnel (nous verrons cela après). Ce qu’on constate en revanche, c’est que plus on observe et plus on trouve des mondes différents qui parfois dépassent l’imagination des auteurs de science-fiction ! Je précise qu’on trouve ces mondes et pas qu’on les observe directement, à une ou deux exceptions près. Les télescopes ne sont en effet pas assez puissants pour voir directement une exoplanète. Ce que les astronomes mesurent, ces sont les perturbations que ces planètes font subir à leur étoile.

Dans notre système solaire, les planètes gazeuses se trouvent principalement dans la bordure extérieure. C'est le résultat de la naissance du soleil, où des "vents" auraient repoussé les gaz en ne permettant qu'aux matériaux lourds comme les roches de demeurer. Pourquoi cette caractéristique est-elle plutôt rare ?

Olivier Sanguy : Je serai tenté de dire qu’elle est rare pour le moment. Nous ne trouvons que les exoplanètes que la sensibilité des instruments actuels permet de détecter et donc les systèmes stellaires qui engendrent ce type de configuration. Ainsi, mesurer la perturbation qu’une exoplanète très massive fait subir à une étoile dont elle est très proche est plus aisée que celle d’une planète modeste comme la nôtre et située relativement plus loin. C’est ce qu’on appelle un biais observationnel. Imaginez que vous vous baladiez dans une ville avec des lunettes qui ne vous permettent de voir que les personnes habillées en costume-cravate. A Paris dans le quartier d’affaires de la Défense vous direz qu’il y a beaucoup de monde, mais en allant sur une plage au mois d’août vous allez conclure qu’il n’y a personne… Ce qui est faux. Notre recherche des exoplanètes souffre aussi de biais observationnel puisque nous détectons plus facilement les grosses planètes proches de leur étoile. Mais d’autres méthodes, comme celle du transit (on détecte la baisse de luminosité d’une étoile lorsqu’une de ces planètes passe devant) et la possibilité de faire des mesures de plus en plus fines a permis de trouver autre chose que ces mondes massifs proches de leur étoile (on les appelle des « Jupiter chauds » car massifs comme Jupiter, ou plus, et chauds car proche de leur soleil). En plus, dans notre Système solaire, les planètes gazeuses qui sont les plus grosses, se trouvent en bordure… aujourd’hui ! Des modèles théoriques comme celui dit « modèle de Nice » (car issu d’études réalisées à l’observatoire de Nice en France) expliquent que Jupiter et Saturne ont pu être très proches du Soleil au début avant de s’en éloigner et occuper leur position actuelle.

Comment décrire les planètes joviennes, et comment expliquer que le système solaire compte moins de planètes joviennes que les autres ? ? Les méthodes de détection sont-elles les seules en cause ?

Olivier Sanguy : Les planètes joviennes (ce mot vient de Jupiter) sont des géantes gazeuses. Mais à nouveau, il faut se méfier de tirer des conclusions générales à partir des observations accumulées jusqu’à maintenant. Notre galaxie compte au moins 100 milliards d’étoiles et nos résultats concernent environ 2 000 exoplanètes autour de soleils forcément proches du nôtre, car plus une étoile est loin et plus il est difficile d’y détecter des planètes autour. Ceci dit, certains modèles théoriques expliquent pourquoi il peut exister une prédominance des planètes de type jovien comme Jupiter. Les facteurs sont nombreux comme le type d’étoile. À nouveau, il ne faut pas oublier la grande variété de situations possibles, même si un scénario général va finir par se dégager peu à peu. Les méthodes de détection peuvent en plus nous tromper comme je l’ai expliqué précédemment et de surcroît il ne faut pas oublier que déterminer la nature d’un système à plusieurs planètes reste complexe. Je rappelle qu’on détecte une exoplanète par la perturbation qu’elle fait subir à son étoile en tournant autour d’elle (vue de la Terre, l’étoile bouge un petit peu par rapport à sa position). Mais lorsqu’il y a plusieurs planètes, il faut faire le tri entre l’influence combinée de plusieurs planètes : un véritable casse-tête mathématique qui explique pourquoi en affinant les mesures, mais aussi les méthodes de calcul on trouve parfois une planète de plus dans un système stellaire où on pensait avoir tout détecté !

En quoi ceux-ci contreviennent-ils à ce que nous savons déjà ?

Olivier Sanguy : Ils ne contreviennent pas forcément car il faut faire attention au biais observationel déjà évoqué. En revanche, il est clair que la découverte de certaines exoplanètes a forcé les planétologues à revoir plusieurs fois leur copie. L’existence des « Jupiters chauds » a clairement mis à mal le modèle classique de formation des planètes à la place qu’elles occupent actuellement et favorisé un modèle comme celui de Nice qui repose sur une migration des mondes.

A contrario, qu'est-ce qui est commun entre notre système solaire, et les autres ? Et entre notre planète et les autres ?

Olivier Sanguy : Comme dit au début, ce qui est commun est l’existence de planètes autour des étoiles. Auparavant, ce n’était pas acquis. On a aussi noté que de plus en plus de systèmes, grâce à des mesures de plus en plus fines, possédaient aussi des mondes de taille comparable à celle de la Terre dans la zone habitable de leur étoile. La zone habitable est la distance à laquelle il ne fait ni trop chaud ni trop froid pour que l’eau existe à l’état liquide sur la planète en question. Bien évidemment, bien d’autres conditions restent à réunir. On parle d’ailleurs de zone habitable et pas de zone habitée. La nuance est très importante. Un jour, on détectera probablement ce qu’on appelle une « jumelle de la Terre », à savoir un monde de taille comparable qui orbite en zone habitable d’une étoile semblable au Soleil. Cette découverte sera symboliquement importante car pour la première fois on aura la preuve que notre planète bleue n’est pas une exception.

N'aurions nous pas alors davantage de chances de trouver des formes de vie extraterrestre non pas sur des planètes mais des lunes de planètes gazeuses ? 

Olivier Sanguy : C’est une excellente piste. En effet il existe des planètes gazeuses géantes en zone habitable de leur étoile et on peut imaginer que la vie se développerait alors plutôt sur une de leurs lunes. Notons qu’on retrouve là une possibilité également envisagée pour notre propre Système solaire ! Les planétologues estiment en effet que certaines lunes glacées de Jupiter, comme Europe ou Ganymède, abritent un océan sous une couche de glace. Et ces océans pourraient héberger une vie, même si très simple (microbienne par exemple). La NASA a ainsi pour projet d’envoyer une sonde baptisée Europa Clipper pour étudier spécifiquement Europe (lancement vers 2025). L’Agence Spatiale Européenne vise elle aussi les lunes de Jupiter et plus particulièrement Ganymède avec la mission JUICE prévue pour un lancement en 2022. Enfin, la lune Encelade de Saturne possède elle aussi une mer sous-glaciaire comme ses geysers à son pôle Sud l’ont révélé. La sonde Cassini a fait de nombreuses observations, mais pour aller plus loin, il faudra envisager une mission spécifique qui pour le moment n’est qu’un projet.