Les systèmes planétaires comme sites possibles de la vie Régis Courtin LESIA CNRS & Observatoire de Paris regis.courtin@obspm.fr

Quelques questions fondamentales en exobiologie / astrobiologie / bioastronomie : Quelle est l'origine de la vie sur Terre ? Les processus qui ont permis son apparition ont-ils pu se produire ailleurs ? Y a-t-il de la vie évoluée ailleurs ? Plusieurs approches : Etude de la vie sur Terre chimie prébiotique, organismes extrêmophiles Modèles de mondes habitables modèles planétaires Recherche de mondes habitables système solaire, exoplanètes Recherche de civilisations extra-terrestres intelligentes S.E.T.I. Recherche pluridisciplinaire : biologistes, chimistes, géologues, astrophysiciens…

Les extrêmophiles Certains organismes peuvent vivre dans des conditions environnementales extrêmes, comme des bactéries (procaryotes = cellules sans noyau) vivant à 110 °C (hyperthermophiles) ou -12 °C (psychrophiles) sous de fortes pressions (barophiles -> 1600 MPa) ou dans le vide sous atmosphère très desséchée (xérophiles) dans un milieu très salin (halophiles) dans des acides (acidophiles -> pH = 0) ou bases (alkalophiles -> pH = 11) sous irradiation gamma (1000 fois la dose létale pour l'homme) en présence de gaz ou de métaux toxiques ou sans oxygène (anaérobies) dans un champ électrique

Recherche de mondes habitables dans le système solaire Mercure, Vénus, Lune : conditions très peu favorables Mars est un bon "candidat" : - les dernières explorations suggèrent la présence d'eau liquide dans le passé - températures modérées (jusqu'à +20°C) actuellement, il y a très peu de chances de trouver des formes de vie évoluées mais la survie de bactéries est possible (émission de méthane observée) Résultats ambiguës des expériences faites par les sondes Viking en 1976 Débat polémique autour de la météorite ALH84001 - météorite martienne ? (probable mais pas sûr) - traces de bactéries ? (improbable mais pas impossible)

La détection de méthane dans l’atmosphère de Mars intrigue les chercheurs ; elle peut s’interpréter - soit par des réactions chimiques impliquant l’eau à température élevée - soit par la présence de bactéries en contact avec l’eau liquide méthane eau liquide roche à haute température surface méthane bactéries ~2 µm Dans les deux cas, cela implique un sous-sol très dynamique

Europe (Jupiter II) Encelade (Saturne II) Titan (Saturne VI) d=3138 km r=3.01 g.cm-3 glaces/roches~10/90 Encelade (Saturne II) d=500 km r=1.61 g.cm-3 glaces/roches ~60/40 Titan (Saturne VI) d=5151 km r=1.88 g.cm-3 glaces/roches ~50/50

Europe

Des images de la surface d’Europe prises par la sonde Galileo ont montré des caractéristiques morphologiques suggérant (sans la prouver) la présence d’un océan d’eau liquide sous la croûte de glace (l’épaisseur croûte + océan est estimée à 80-170 km)

Galileo a également détecté des sels minéraux le long des craquelures de la croûte de glace, ce qui pourrait s’expliquer par des remontées d’eau salée à la surface

Encelade

La sonde Cassini a détecté des geysers de vapeur et de glace d’eau émanant du pôle Sud d’Encelade qui ne peuvent s’expliquer que par la présence d’eau liquide sous la surface

Les températures mesurées à la surface et la composition du gaz et des particules éjectées (contenant notamment des sels de sodium) renforcent l’hypothèse d’un océan d’eau liquide en interaction avec les roches à sa base.

La vie a t-elle pu se développer dans les océans d’Europe et Encelade ? Compte tenu des sources d’énergie et d’oxygène/hydrogène libre disponibles, on estime qu’une microfaune analogue à celle des océans terrestres pourrait survivre avec toutefois une concentration de 1000 à 100.000 fois plus faible.

Titan

Les mesures radar faites par la sonde Cassini suggèrent également la présence d’un océan d’eau liquide en accord avec les modèles de structure interne

Composition atmosphérique de Titan d’après les mesures de la mission Cassini-Huygens

Il existe sur Titan un cycle du méthane analogue à celui de l’eau sur Terre

Il existe aussi une chimie organique très développée conduisant à la formation d’hétéropolymères complexes appelés "tholins" et de formule générale CxHyNz

d’une vie primitive conduisant à la production du méthane La molécule d’hydrogène est une source d’énergie favorable pour le métabolisme du vivant. Sa présence dans la basse atmosphère de Titan pourrait conduire au développement d’une vie primitive conduisant à la production du méthane

Une mission future d’exploration de Titan (en 2030 ?) aura pour objectif de rechercher ce type de vie primitive avec des instruments mobiles dans l’atmosphère et un sondage aux abords des lacs de méthane

Pour Encelade, on pourrait imaginer une mission de type Stardust pour prélever des particules émises par les geysers

Les comètes : une source de vie externe pour la Terre et d’autres planètes du système solaire ? La récente détection de la glycine (le plus simple des acides aminés)dans les échantillons de la comète Wild2 rapportés par la sonde Stardust semble apporter du crédit à cette hypothèse de la "panspermie"

et la recherche de la vie dans d’autres systèmes planétaires Les exoplanètes et la recherche de la vie dans d’autres systèmes planétaires

Une exoplanète (ou planète extra-solaire) Recherche de mondes habitables (1) : exoplanètes Une exoplanète (ou planète extra-solaire) est une planète gravitationnellement liée à une étoile autre que le Soleil A ce jour : l'existence d'environ 150 exoplanètes confirmées

Distribution des masses des exoplanètes

La "Zone Habitable" autour d’une étoile est la zone où a priori l'eau peut exister sous forme liquide => il faut de l'eau ! Les modèles actuels laissent penser que lors de la formation des planètes telluriques, il y a peu d'eau dans cette zone. Apport des comètes avec l'aide gravitationnelle des géantes ? La planète doit se trouver à une distance convenable de son étoile : - si elle est trop proche, l’effet de serre provoque la perte d’eau par évaporation - si elle est trop loin, il y a trop peu de rayonnement et l’eau gèle Soleil Vénus Terre Mars Système solaire 0.5 1 1.5 0.8 2 distance en UA La distance minimale critique dépend de la nature de l'étoile La planète doit garder l'eau qu'elle a reçue : masse critique Une activité volcanique est souhaitable => entretien d'une atmosphère

Zone d’habitabilité en fonction du type de l’étoile

La signature de la végétation due à la chlorophylle

Vers 1m de longueur d’onde, la végétation apparaît très brillante et l’eau très sombre

Recherche de la signature de la chlorophylle dans la lumière cendrée

Depuis 2002, plusieurs observations du spectre de la lumière cendrée ont été faites, d’abord à l’Observatoire de Haute-Provence, puis au Chili, et maintenant an Antarctique. Bien qu’elle soit soit seulement de quelques pourcents, la signature de la végétation est détectable dans un spectre de la Terre dans sa totalité. De plus, quand c’est un océan qui est face à la Lune, la signature est plus petite que quand l’Afrique ou l’Asie font face à la Lune.

Autres signatures spectrales caractéristiques d’une planète habitable ou habitée : CO2, O3, H2O Transmission La forte absorption du gaz carbonique indique que la planète possède une atmosphère La bande de l'ozone signifie la présence d’une grande quantité d'oxygène, probablement produit par la vie Les bandes de l'eau indiquent que l'eau est abondante, suggérant la présence d’un océan

une écoute permanente du ciel dans le domaine radio (The Water Hole) La mission S.E.T.I. SETI (Search for Extra Terrestrial Intelligence) une écoute permanente du ciel dans le domaine radio (The Water Hole) Recherche de signaux radio émis par des civilisations extra-terrestres. Tout le monde peut y participer !

Missions futures (horizon 2020 ?) Projet TPF/DARWIN (NASA/ESA) Interférométrie IR spatiale Autres projets à l’étude utilisant la technique de coronographie

Hyper-télescope optique spatial Après-demain (2050 ?)… A l’horizon encore plus lointain (2050 ?) L’observation directe d’une exo-Terre par imagerie nécessitera des développement technologiques très importants Simulation d'une image de la Terre vue d'une distance de 10 A.L. Hyper-télescope optique spatial (concept : Antoine Labeyrie)