Lumière brillante (étoile) sur la recherche de la vie

Lumière brillante (étoile) sur la recherche de la vie

À la recherche de la vie sur d’autres mondes, les astronomes parcourent des planètes éloignées d’années-lumière. Ils ont besoin de moyens d’identifier la vie de loin – mais qu’est-ce qui constitue une bonne preuve?

Notre propre planète nous inspire. Les microbes remplissent l’air de méthane; les plantes photosynthétisantes expulsent l’oxygène. Peut-être ces gaz pourraient-ils être trouvés partout où la vie s’est installée.

Mais sur des mondes très différents du nôtre, des signes putatifs de vie peuvent être provoqués par des processus non biologiques. Pour connaître un vrai signe quand vous le voyez, l’astronome Kevin France de l’Université du Colorado à Boulder dit que vous devez regarder au-delà de la planète elle-même, jusqu’à l’étoile brillante qu’elle orbite.

À cette fin, la France et son équipe ont conçu la mission SISTINE. Volant sur une fusée-sonde pour un vol de 15 minutes, il observera des étoiles lointaines pour aider à interpréter les signes de vie sur les planètes qui les orbitent. La mission sera lancée à partir de la gamme de missiles White Sands au Nouveau-Mexique au petit matin du 5 août 2019.

Quand la Terre est un mauvais exemple

Peu de temps après la formation de la Terre il y a 4,6 milliards d’années, elle était enveloppée d’une atmosphère nocive. Les volcans ont craché du méthane et du soufre. L’air regorgeait de 200 fois plus de dioxyde de carbone que les niveaux actuels.

Artist's conception of Early Earth

Ce n’est pas avant un milliard et demi d’années que l’oxygène moléculaire, qui contient deux atomes d’oxygène, est entré en scène. C’était un déchet, rejeté par les bactéries anciennes par la photosynthèse. Mais il a déclenché ce qui est devenu le grand événement d’oxydation, modifiant de façon permanente l’atmosphère terrestre et ouvrant la voie à des formes de vie plus complexes.

« Nous n’aurions pas de grandes quantités d’oxygène dans notre atmosphère si nous n’avions pas cette durée de vie en surface », a déclaré la France.

L’oxygène est connu comme un biomarqueur: un composé chimique associé à la vie. Sa présence dans l’atmosphère terrestre fait allusion aux formes de vie qui se cachent en dessous. Mais comme les modèles informatiques sophistiqués l’ont montré, les biomarqueurs sur Terre ne sont pas toujours aussi fiables pour les exoplanètes ou les planètes en orbite autour des étoiles ailleurs dans l’univers.

La France pointe les étoiles naines M pour justifier ce cas. Plus petits et plus froids que notre Soleil, les nains M représentent près des trois quarts de la population stellaire de la Voie lactée. Pour comprendre les exoplanètes qui les orbitent, les scientifiques ont simulé des planètes de la taille de la Terre entourant des naines M. Des différences avec la Terre sont rapidement apparues.

Les nains M génèrent une lumière ultraviolette intense. Lorsque cette lumière a frappé la planète simulée semblable à la Terre, elle a arraché le carbone du dioxyde de carbone, laissant derrière lui de l’oxygène moléculaire libre. La lumière UV a également brisé des molécules de vapeur d’eau, libérant des atomes d’oxygène uniques. Les atmosphères ont créé de l’oxygène – mais sans vie.

« Nous appelons ces biomarqueurs faux positifs », a déclaré la France. « Vous pouvez produire de l’oxygène sur une planète semblable à la Terre grâce à la photochimie seule. »

Les faibles niveaux d’oxygène de la Terre sans vie étaient une sorte de hasard – grâce, en partie, à notre interaction avec notre Soleil. Les systèmes d’exoplanètes avec des étoiles différentes peuvent être différents. « Si nous pensons que nous comprenons l’atmosphère d’une planète mais ne comprenons pas l’étoile qu’elle orbite, nous allons probablement nous tromper », a déclaré la France.

Connaître une planète, étudier son étoile

Image of planetary nebula NGC 6826

La France et son équipe ont conçu SISTINE pour mieux comprendre les étoiles hôtes et leurs effets sur l’atmosphère des exoplanètes. Abréviation de Suborbital Imaging Spectrograph for Transition region Irradiance from Near Exoplanet host stars, SISTINE mesure le rayonnement de haute énergie de ces étoiles. Avec des connaissances sur les spectres des étoiles hôtes, les scientifiques peuvent mieux distinguer les vrais biomarqueurs des faux positifs sur leurs planètes en orbite.

Pour effectuer ces mesures, SISTINE utilise un spectrographe, un instrument qui sépare la lumière en ses composants.

« Les spectres sont comme des empreintes digitales », a déclaré Jane Rigby, astrophysicienne au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, qui utilise la méthodologie. « C’est ainsi que nous découvrons de quoi sont faites les choses, à la fois sur notre planète et en regardant dans l’univers. »

SISTINE mesure des spectres dans des longueurs d’onde de 100 à 160 nanomètres, une gamme de lumière UV lointaine qui, entre autres, peut créer de l’oxygène, générant éventuellement un faux positif. Le rendement lumineux dans cette plage varie avec la masse de l’étoile – ce qui signifie que les étoiles de masses différentes différeront presque sûrement de notre Soleil.

SISTINE peut également mesurer des fusées éclairantes, ou des explosions stellaires brillantes, qui libèrent des doses intenses de lumière ultraviolette d’un seul coup. Des fusées éclairantes fréquentes pourraient transformer un environnement habitable en un environnement mortel.

La mission SISTINE volera sur une fusée à sondage Black Brant IX. Les fusées-sondes effectuent de courts vols ciblés dans l’espace avant de retomber sur Terre; Le vol de SISTINE lui donne environ cinq minutes d’observation. Bien que brève, SISTINE peut voir des étoiles dans des longueurs d’onde inaccessibles aux observatoires comme le télescope spatial Hubble.

Deux lancements sont prévus. Le premier, de White Sands en août, calibrera l’instrument. SISTINE volera à 174 miles au-dessus de la surface de la Terre pour observer NGC 6826, un nuage de gaz entourant une étoile naine blanche située à environ 2000 années-lumière de là dans la constellation du Cygne. Le NGC 6826 est brillant en lumière UV et montre des raies spectrales nettes – une cible claire pour vérifier leur équipement.

Après l’étalonnage, le deuxième lancement suivra en 2020 depuis le Centre spatial d’Arnhem à Nhulunbuy, en Australie. Ils y observeront les spectres UV d’Alpha Centauri A et B, les deux plus grandes étoiles du système Alpha Centauri à trois étoiles. À 4,37 années-lumière de distance, ces étoiles sont nos plus proches voisins stellaires et nos cibles privilégiées pour les observations d’exoplanètes. (Le système abrite Proxima Centauri B, l’exoplanète la plus proche de la Terre.)

Image of Alpha Centauri A and B

Tester une nouvelle technologie

Les observations de SISTINE et la technologie utilisée pour les acquérir sont conçues en fonction des futures missions.

L’un est le télescope spatial James Webb de la NASA, dont le lancement est actuellement prévu en 2021. L’observatoire de l’espace lointain verra la lumière visible dans l’infrarouge moyen – utile pour détecter les exoplanètes en orbite autour des naines M. Les observations SISTINE peuvent aider les scientifiques à comprendre la lumière de ces étoiles dans des longueurs d’onde que Webb ne peut pas voir.

SISTINE transporte également de nouvelles plaques de détection UV et de nouveaux revêtements optiques sur ses miroirs, conçus pour les aider à mieux réfléchir plutôt qu’à absorber la lumière UV extrême. L’utilisation de cette technologie sur SISTINE permet de les tester pour les futurs grands télescopes spatiaux UV / optiques de la NASA.

En capturant des spectres stellaires et en faisant progresser la technologie pour de futures missions, SISTINE relie ce que nous savons à ce que nous n’avons pas encore appris. C’est là que le vrai travail commence. « Notre travail en tant qu’astronome est de rassembler ces différents ensembles de données pour raconter une histoire complète », a déclaré Rigby.