En juin 2020, des astronomes canadiens ont calculé qu'il pourrait y avoir cinq milliards de planètes semblables à la Terre dans la Voie lactée en orbite autour d'étoiles semblables au Soleil. Cependant, ce n'est que la partie visible de l'iceberg des planètes habitables. Le fait n'est pas seulement qu'ils sont plus nombreux autour d'étoiles d'autres types: les conditions mêmes sur les exoplanètes d'autres systèmes peuvent être beaucoup plus favorables à la vie que les nôtres. Essayons de comprendre pourquoi.
Les étoiles sont de différents types. Ceux qui sont plus massifs - comme la naine jaune du Soleil (type spectral G2) ou l'étoile blanche Sirius A (type spectral A1) - sont visibles pendant de nombreuses années-lumière. De plus, à mesure que leur masse augmente, leur luminosité augmente de manière non linéaire: Sirius n'est que deux fois plus lourd que notre étoile, mais brille 25 fois plus fort.
L'inverse est également vrai: la naine rouge la plus lourde et la plus grande (type spectral M0) n'est que quelques fois plus légère que le Soleil, mais brille environ 15 fois plus faiblement. Les plus légers d'entre eux (M9) sont une douzaine de fois plus légers que le Soleil, mais inférieurs en luminosité de plusieurs milliers de fois.
Cela donne lieu à l'effet de la « partie invisible de l'iceberg »: il y a beaucoup de naines rouges autour de la Terre (et dans l'Univers en général), mais il est vraiment difficile de les voir. L'étoile la plus proche de la Terre - Proxima Centauri - est une naine: malgré la distance extrêmement petite de 4, 3 années-lumière, elle ne peut pas être vue dans le ciel à l'œil nu. Il est difficile d'établir le nombre exact de tels objets dans l'Univers. Les estimations varient de 70% à 90% de tous les luminaires existants - mais la plupart de ces estimations sont proches de 75-76%.
Les astronomes canadiens, qui ont essayé de compter le nombre de planètes terrestres autour des naines jaunes, ont utilisé les données des télescopes spatiaux, dans lesquels des images ont été enregistrées 200 000 étoiles. Ils ont découvert qu'environ 7 % des 400 milliards de luminaires de notre galaxie sont des naines jaunes. Il y a 28 milliards de ces étoiles au total. Sur la base des données disponibles sur l'occurrence des planètes dans les étoiles de classe G, les scientifiques ont calculé que dans 18% des cas dans chacun de ces systèmes, il peut y avoir une planète de la taille de la Terre, et dans la zone habitable. Il pourrait y avoir cinq milliards de telles planètes au total.
Regardons maintenant cette situation du point de vue non pas des naines jaunes comme notre étoile, mais orange (12% de toutes les étoiles) et rouge (76%). Il s'avère qu'il y a environ 300 milliards de rouges dans la seule Voie lactée - 11 fois plus que les jaunes. Dans le même temps, selon les calculs d'autres groupes astronomiques, il existe de nombreuses planètes proches en masse de la Terre et situées dans la zone habitable. 40% de toutes les naines rouges peuvent avoir de telles exoplanètes - et ensuite des planètes potentiellement habitées autour de telles étoiles jusqu'à 120 milliards.
Bien entendu, la simple présence d'un astre dans une zone habitable conventionnelle est loin d'y garantir la présence de la vie. La question la plus importante de l'astronomie exoplanétaire moderne: de tels mondes sont-ils vraiment adaptés à la vie ?
Qu'est-ce qui ne va pas avec la lumière des naines rouges
Contrairement au nom, une personne qui se retrouve sur une planète près d'une naine rouge ne verra pas de luminaires rouges dans le ciel. Tout dépend des particularités de notre vision: elle capte des photons de différentes longueurs d'onde de la source lumineuse et les "plie", obtenant non pas la vraie couleur de l'objet, mais la "synthétique". Notre Soleil est un exemple classique. Il émet la majeure partie de son énergie dans la partie verte du spectre visible. Pour le comprendre, il suffit de regarder le feuillage alentour: il est justement tel qu'il réfléchit efficacement cette partie du rayonnement solaire et évite la surchauffe lors d'un passage brutal de l'ombre au soleil.
Il en est de même avec une ampoule à incandescence et une naine rouge. Leur vraie couleur est le rouge, mais on la perçoit au final comme du jaune ocre. Cependant, s'il y a vraiment de la vie sur des mondes avec un soleil jaune ocre, alors la végétation terrestre très développée y aura exactement une couleur rouge, sinon il lui sera difficile de s'adapter à un changement brusque d'éclairage au passage d'un nuage. ce.
Pendant longtemps, certains chercheurs ont cru que le rayonnement principalement rouge et infrarouge des étoiles rouges deviendrait un problème sérieux pour les plantes des planètes qui les entourent. En effet: l'énergie de tels photons est inférieure à celle de la lumière verte, qui domine le rayonnement du Soleil. La lumière rouge et la lumière infrarouge s'avéreront-elles suffisantes pour la photosynthèse ? Après tout, on sait que la chlorophylle ordinaire ne peut pratiquement pas utiliser d'ondes lumineuses dans la partie rouge lointaine du spectre (avec des ondes de 700 nanomètres et plus) ?
Bien sûr, l'oxygène peut être formé non seulement à l'aide de la chlorophylle: par exemple, les bactéries ont une protéine appelée bactériorhodopsine, similaire à la rhodopsine ordinaire, avec laquelle nous percevons, par exemple, la lumière. Cependant, la photosynthèse "bactériorhodopsine" ne forme normalement pas d'oxygène: cela signifie qu'une biosphère complexe - avec des organismes multicellulaires respirant de l'oxygène - ne peut pas être construite sur sa base.
Alors la lumière des étoiles rouges est-elle inadaptée pour « nourrir » la vie complexe ? Vous n'avez pas besoin de voler vers des étoiles lointaines pour trouver la réponse à cette question. En 2010, la chlorophylle f (formule descriptive approximative C55H70O6N4Mg) a été découverte sur la côte ouest de l'Australie.
Contrairement à d'autres types de chlorophylle, elle assure une photosynthèse "classique" avec libération d'oxygène - mais à partir de photons d'une longueur d'onde allant jusqu'à 720 nanomètres. Les raisons de son utilisation par les organismes photosynthétiques dans l'eau sont claires: plus la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique est courte, plus il est absorbé par l'eau. Par conséquent, dans certains cas, il est plus rentable d'utiliser la partie la plus éloignée de la plage rouge.
Les épidémies tueront-elles tous les êtres vivants ?
Une autre caractéristique des naines rouges sur laquelle les astronomes s'attardent souvent est leur tendance aux éruptions violentes, que notre Soleil n'a montrée que dans les premiers millions d'années de sa vie. Au cours d'un tel événement, le niveau de rayons X et de rayonnement ultraviolet du luminaire augmente fortement - à tel point que, comme on le prétend parfois, cela peut "stériliser" la vie à la surface d'une telle planète.
Sur cette base, les astronomes ont essayé de calculer quelles pourraient être les conséquences de ces fortes éruptions UV et de rayons X d'étoiles de faible masse. Ils ont découvert que certaines planètes de la zone habitable de la naine rouge TRAPPIST-1 (à 39, 6 années-lumière de nous) pourraient ainsi perdre de l'eau, en masse égale à 15 océans terrestres. Le mécanisme de perte est simple: la lumière ultraviolette divise les molécules de vapeur d'eau en hydrogène et oxygène. Les molécules du premier sont trop légères, elles se dispersent donc rapidement dans l'espace.
Plus récemment, il a été constaté que le niveau réel de rayonnement ultraviolet lors des éruptions de TRAPPIST-1 est 50 fois plus élevé que ce qui avait été supposé lors du calcul de la perte d'eau possible. Une image apocalyptique se dessine: les planètes semblables à la Terre dans les naines rouges devraient être sans eau par rapport à la Terre, et le rayonnement UV à leur surface pendant les épidémies, semble-t-il, peut stériliser toute vie terrestre.
Mais passons aux paramètres réels des sept planètes du système TRAPPIST-1. Sont-ils vraiment si dépourvus d'eau ? Dans la zone habitable, il y a trois planètes à la fois - TRAPPIST-1e, f et g. La densité du premier est de 1,024 terrestre, la seconde de 0,816 terrestre et la troisième de 0,759 terrestre. On voit clairement que deux des trois planètes devraient contenir beaucoup plus d'éléments légers que notre Terre. Pour les planètes très proches en masse, l'eau est la principale source de composants lumineux, car la gravité de tels corps n'est pas capable de contenir une grande atmosphère d'hydrogène ou d'hélium.
Peut-être parlons-nous de l'exception et il y a beaucoup d'eau sur les planètes de la zone habitable uniquement sur les mondes du système TRAPPIST-1 ? Non, et dans d'autres systèmes de naines rouges, les planètes de la zone habitable ont presque toujours la densité de la Terre ou même moins. Par conséquent, ils ne peuvent pas être de véritables déserts sans eau - même avec de fortes éruptions UV et de rayons X.
Comment ils ont préservé l'eau et la possibilité de croissance de la vie
Lorsqu'on leur demande pourquoi nous voyons une telle image aujourd'hui, les astronomes n'ont pas encore trouvé la réponse. En effet, la lumière ultraviolette divise l'eau, et on pense que la perte d'eau sur Mars a eu lieu précisément en raison du rayonnement UV solaire.
Il y a deux réponses possibles à la question de savoir comment les planètes des naines rouges n'ont pas perdu de l'eau.
Le premier scénario peut être appelé "pendant que la graisse sèche, la mince s'évapore". Le fait est que la plupart des systèmes de naines rouges avec des planètes ouvertes ne semblent pas naturels. Leurs planètes sont situées extrêmement surpeuplées, à très faible distance de leur étoile. La plus proche des sept planètes du même TRAPPIST-1 se trouve à 1,73 million de kilomètres de son étoile, et la plus éloignée n'est qu'à 9,27 millions de kilomètres de celle-ci. Pensez-y: sept planètes à 7,54 millions de kilomètres !
Dans le système solaire, les sept planètes les plus proches de l'étoile sont dispersées sur des orbites allant de 58 millions de kilomètres (Mercure) à 2,88 milliards de kilomètres. Leur séparation dans l'espace est 370 fois plus forte que celle des exoplanètes TRAPPIST-1. Entre Mercure et le Soleil dans notre système, sept systèmes à sept planètes TRAPPIST-1 s'adapteraient à la fois - et il y aurait encore de la place.
Bien sûr, les naines rouges sont plus petites que le soleil. Et leurs disques protoplanétaires devraient également être plus petits, mais à peine 370 fois. Tout cela oblige les scientifiques à supposer la possibilité de la formation de planètes naines rouges sur des orbites plus éloignées de l'étoile, suivie d'une migration plus proche de l'étoile. Une migraine comme celle que nous avons décrite dans le numéro de janvier de notre magazine sur le système solaire - mais plus radicale.
Dans ce cas, la proportion d'éléments légers sur les planètes de la zone habitable des étoiles de faible masse sera initialement très élevée - bien plus que sur Terre. Ensuite, de puissantes éruptions stellaires, même si elles la privent de grandes masses d'eau, ne réduiront toujours pas la "réserve" d'eau sur de telles planètes en dessous du niveau de la terre.
Le deuxième scénario possible de survie sous la lumière ultraviolette est, bien sûr, la couche d'ozone. Selon les calculs des astronomes, en présence d'une atmosphère d'oxygène notable et d'une couche d'ozone constante, même pendant les moments d'éruptions graves, le niveau moyen de rayonnement UV atteignant la surface d'une planète terrestre dans le système des naines rouges ne sera pas beaucoup plus élevé que sur Terre. Ce sera particulièrement vrai là où la densité de l'atmosphère est sensiblement plus élevée que celle de la Terre.
Ce scénario a un point faible: une quantité notable d'oxygène libre doit provenir de quelque part. À en juger par l'expérience de la vie terrestre, elle n'apparaît que des milliards d'années après la formation de la planète - en raison des activités de ces photosynthéticiens qui produisent de l'oxygène (comme nous l'avons dit ci-dessus, tous les organismes photosynthétiques ne le font pas). Mais d'où pourrait venir une grave couche d'ozone sur de jeunes planètes, si la lumière ultraviolette devait tuer toute vie à la surface ?
Ici, la réponse réside peut-être dans la protection sérieuse que même une fine couche d'eau offre à toute créature vivante contre le rayonnement ultraviolet. Si un organisme photosynthétique se développe dans un milieu aquatique, les UV ne l'interfèrent pas. Et lorsqu'il accumulera de l'oxygène libre, il deviendra beaucoup plus sûr sur terre (en termes de réduction du niveau de rayonnement ultraviolet).
Capture de marée: la vie est-elle possible sous un soleil stationnaire ?
Les sceptiques se souviendront d'un autre problème souvent cité des planètes dans les naines rouges - la capture de marée. Comme nous l'avons montré ci-dessus, la distance entre une planète habitable typique dans un tel système et son étoile est une question de millions de kilomètres. Les planètes voisines si serrées ressembleront à des lunes dans le ciel, et leurs propres lunes - beaucoup plus brillantes que la terre.
La faible distance à l'étoile signifie que tôt ou tard sa gravité "fixera" ses planètes. Comme la Terre oblige la Lune à toujours se regarder d'un seul côté, les naines rouges brilleront le plus souvent pour toujours d'un côté de leurs planètes habitées, tandis que l'autre moitié restera dans l'ombre éternelle. C'est ce qu'on appelle la capture de marée par rapport à une étoile et une planète. La vie ne va-t-elle pas « brûler » côté tournesol et geler côté ombragé ?
La réponse à cette question est venue il y a quelques années, lorsque les astronomes ont utilisé pour la première fois des modèles détaillés du comportement des atmosphères d'exoplanètes pour comprendre ce qui leur arriverait en cas de capture par les marées.
Il s'est avéré qu'un chauffage constant crée inévitablement des courants troposphériques ascendants extrêmement puissants et des nuages denses au point "tournesol". Si dense que nous ne parlons tout simplement pas d'une surchauffe excessive du côté "tournesol" de l'exoplanète. De plus, les courants ascendants se sont avérés suffisamment forts pour que les masses d'air réchauffées se déplacent ensuite rapidement vers "l'ombre", la face éternellement sombre de la planète. En fait, la distribution des températures sur une telle planète ne différera que légèrement de celle sur Terre - bien que la moitié de la surface ici ne verra jamais le soleil local.
Bien sûr, cela ne signifie pas que la biosphère des mondes chez les naines rouges se développera de la même manière que dans notre pays. Oui, la bioproductivité globale sera comparable: côté tournesol, la photosynthèse se déroulera à toutes les heures de la journée locale, et non la moitié du temps comme nous le faisons. Mais du côté éternellement louche, la photosynthèse à laquelle nous sommes habitués ne deviendra jamais la forme de vie dominante. Il sera dominé par les chimioautotrophes - des organismes qui décomposent certains composés et vivent ainsi. Ce sera une moitié du monde plutôt étrange - il est peu probable que les animaux développés du côté du jour y entreront jamais. La vie devra se blottir près des sources hydrothermales sous l'eau et près des volcans sur terre.
Soit dit en passant, il existe des exemples d'organismes photosynthétiques sur Terre qui vivent sans lumière du soleil. Nous parlons de bactéries soufrées vertes qui vivent à des profondeurs allant jusqu'à 2,4 kilomètres, là où la lumière du soleil ne pénètre pas. Par conséquent, ils n'utilisent que la faible lueur des bouches hydrothermales voisines. La source d'énergie de cette lueur est le chauffage des composés émergeant de sous la surface de la planète, donc la lumière utilisée par les bactéries soufrées est rouge, plus une partie de la gamme infrarouge.
De toute évidence, de telles photosynthétiques "thermiques" peuvent être trouvées sur les côtés d'ombre des planètes des naines rouges. Mais il est aussi clair que la vie complexe ne peut se dérouler sur une telle base: le côté obscur restera à jamais une réserve pour les formes de vie primitives.
Mondes surhabités
Mais les naines rouges ont des caractéristiques que les scientifiques interprètent sans équivoque comme favorables à la vie. Même la plus grande des étoiles rouges (avec une masse d'un quart du soleil) vit au moins mille milliards d'années. Les moins massives ont un peu plus de 10 000 milliards d'années. Le mot "vivre" ne doit pas être trompeur: alors que l'Univers n'a même pas 14 milliards d'années, donc, en fait, pas une seule naine rouge n'a encore réussi à atteindre la fin de son chemin de vie et à devenir d'abord une bleue puis une naine noire.
La raison du cycle de vie super long est la faible consommation d'hydrogène et l'impossibilité, en raison de sa petite taille, d'entrer dans la phase de la supergéante rouge, qui dans cinq milliards d'années deviendra le Soleil. Par conséquent, les naines rouges avec des biosphères devraient leur laisser un maximum de temps pour évoluer. Sur notre planète, la vie terrestre complexe avec des plantes et des animaux supérieurs n'existe que depuis un demi-milliard d'années. Si les gens ne proposent pas quelque chose d'extraordinaire, dans un autre milliard d'années, cette vie disparaîtra: la luminosité du Soleil augmente progressivement.
En théorie, un "climatiseur au carbone" fonctionne sur Terre - un mécanisme par lequel il ne surchauffe pas. Lorsqu'il y a trop de rayonnement solaire, le CO2 dans l'atmosphère terrestre est plus rapidement lié par les roches, après quoi la force de l'effet de serre diminue et la température redescend à un niveau acceptable.
Mais le problème est que de telles baisses de teneur en dioxyde de carbone sont dangereuses en elles-mêmes. Au cours de la dernière période glaciaire, le CO2 dans l'air était de 180 parties par million, et déjà à 150 parties par million, tous les arbres mourront. Certaines graminées pourront effectuer la photosynthèse avec moins de dioxyde de carbone dans l'air, mais en dessous de 50 ppm, presque toutes les plantes complexes commenceront à mourir.
Nous, les humains, sommes capables de résoudre le problème d'une augmentation progressive du rayonnement de notre naine jaune: par exemple, en construisant de grands miroirs en orbite qui réfléchissent une partie du rayonnement solaire. Mais sur une naine rouge, un tel problème, en principe, ne se pose pas: la vie complexe il n'y a pas 1,5 milliard d'années pour se développer naturellement, mais au moins des centaines de milliards. Sur les naines rouges de faible masse de type TRAPPIST-1, on parle de trillions d'années.
En théorie, c'est un énorme avantage pour le développement de presque toutes les biosphères complexes. Existant des centaines, voire des milliers de fois plus longtemps que sur Terre, il est capable d'évoluer vers des formes de vie plus complexes avec une forte probabilité. Qui sait: peut-être même à des raisonnables ?
Préservation de températures stables
Une autre caractéristique positive des naines rouges et dans une certaine mesure orange est l'absence d'âges glaciaires.
En général, de tels événements étaient, jusqu'à récemment, une rareté sur Terre. Plus ou moins régulièrement, ils ont commencé il y a seulement deux millions d'années, et avant cela la planète était beaucoup plus chaude. Il y a cinq millions d'années, les hêtres poussaient sur la côte de l'Antarctique et Novaya Zemlya, il y a trois millions d'années, restait couverte de forêts de feuillus. Depuis lors, après une diminution de la concentration de CO2 dans l'atmosphère, la planète est entrée dans une période de climat chroniquement instable, qu'elle ne connaissait pas auparavant.
Tous les quelques dizaines de milliers d'années, la glace commence à avancer dans les basses latitudes, en cours de route, réduisant fortement la productivité de la biosphère. Il ne s'agit pas seulement d'une baisse des températures: à cause d'elles, le volume des précipitations diminue également, rendant la planète déserte. Il y a à peine 20 000 ans, plus de la moitié de la masse terrestre de la Terre était constituée de déserts arctiques ou sablonneux.
Mais pour les naines rouges, ce scénario ne peut pas fonctionner: leur climat est beaucoup plus stable. Le Soleil a un peu moins de la moitié de l'énergie de rayonnement dans la partie infrarouge du spectre. Ce rayonnement n'est pas réfléchi par la glace d'eau, mais absorbé par elle, conduisant à la fonte. La moitié restante de l'énergie des rayons du soleil se trouve dans les gammes visible et UV, et ces ondes sont effectivement réfléchies par la glace dans l'espace, ce qui entraîne une augmentation du refroidissement de la Terre. Par conséquent, le début de toute glaciation génère un retour positif: plus de glace - encore plus froide planète - plus de glace. Et donc en cercle.
Chez les naines rouges, jusqu'à 95% du rayonnement tombe sur la partie infrarouge du spectre, de sorte que la glace ne peut pas "refroidir" la planète par elle-même. Ainsi, toute apparition temporaire de glace (par exemple, après un hiver volcanique ou astéroïde ou un déclin à court terme de l'activité stellaire) s'avère être de très courte durée. Aucune période glaciaire ne peut être à long terme là-bas.
Cela signifie non seulement une productivité plus élevée de la biosphère dans son ensemble que sur Terre, mais aussi une récupération "rapide" après chaque extinction majeure. A en juger par notre planète, ils - que dans le cas des dinosaures, que dans le cas de la Grande Extinction de la fin du Permien - se produisent précisément pendant la période des vagues de froid et de l'apparition active de la glace. Mais pour les étoiles de faible masse, une telle offensive sera de courte durée, c'est pourquoi la profondeur des extinctions massives d'espèces pourrait s'avérer moindre que sur notre planète.
Résumons. Les menaces pour la vie sur les planètes des naines rouges à la lumière des dernières preuves scientifiques semblent sensiblement exagérées. À en juger par leur teneur élevée en composants légers, ils sont riches en eau. Sur un grand nombre d'entre eux, il n'y a pas de froid destructeur de l'hémisphère éternellement ombragé, et de surchauffe de l'hémisphère toujours jour.
De plus, il y en a une douzaine de fois plus que les planètes autour des naines jaunes, et en théorie, il devrait y avoir à peu près le même nombre de biosphères « étoiles rouges » dans l'Univers. Sur les quelque 50 milliards de planètes potentiellement habitées de la Galaxie, plus de 40 orbitent autour de naines rouges et oranges, et seulement cinq autour de jaunes comme notre étoile.
Mais le fait n'est pas seulement qu'il y a numériquement plus d'exoplanètes "étoiles rouges" de type terrestre. La vie complexe sur chacun des mondes habités des étoiles rouges existera des centaines de fois plus longtemps que la nôtre. En d'autres termes, l'écrasante majorité de tous les êtres vivants peuvent être des habitants de telles planètes - et pas du tout des "jumelles de la Terre".