scientifiques : Les signatures de vie extraterrestre

À la recherche de signes de vie sur des planètes lointaines, les astrobiologistes doivent décider quels gaz de biosignature révélateurs cibler.

Blotti dans un café par un matin brumeux de Seattle il y a six ans, l'astrobiologiste Shawn Domagal-Goldman regardait fixement l'écran de son ordinateur portable, paralysé. Il avait exécuté une simulation d’une planète en évolution, quand soudainement l’oxygène a commencé à s’accumuler dans l’atmosphère de la planète virtuelle. Augmentation de la concentration cochée, de 0 à 5 à 10 pour cent. "Quelque chose ne va pas?" demanda sa femme. "Ouais." La montée de l'oxygène était une mauvaise nouvelle pour la recherche de la vie extraterrestre. Après des millénaires à se demander si nous sommes seuls dans l'univers - l'une des «questions les plus profondes et probablement les plus anciennes de l'humanité au-delà,« qu'allez-vous dîner? », Comme l'a dit l'astrobiologiste de la NASA Lynn Rothschild - la chasse à la vie sur d'autres planètes est maintenant en train de s'accélérer de manière sérieuse. Des milliers d'exoplanètes, ou planètes en orbite autour d'étoiles autres que le soleil, ont été découvertes au cours de la dernière décennie.

Parmi eux se trouvent des super-Terres potentielles, des sous-Neptunes, des Jupiters chauds et des mondes tels que Kepler-452b, un «cousin de la Terre» éventuellement rocheux et aqueux situé à 1 400 années-lumière d'ici. À partir de 2018, avec le lancement prévu du télescope spatial James Webb de la NASA, les astronomes pourront observer les années-lumière et découvrir les atmosphères des exoplanètes les plus prometteuses. Ils rechercheront la présence de «gaz de biosignature», des vapeurs qui ne pourraient être produites que par la vie extraterrestre. Ils le feront en observant le mince anneau de lumière stellaire autour d'une exoplanète alors qu'elle est positionnée devant son étoile parente. Les gaz dans l'atmosphère de l'exoplanète absorberont certaines fréquences de la lumière des étoiles, laissant des creux révélateurs dans le spectre. Comme Domagal-Goldman, alors chercheur au Virtual Planetary Laboratory (VPL) de l’Université de Washington, le savait bien, l’étalon-or des gaz de biosignature est l’oxygène. Non seulement l'oxygène est produit en abondance par la flore terrestre - et donc, peut-être, par d'autres planètes - mais 50 ans de sagesse conventionnelle ont soutenu qu'il ne pouvait pas être produit à des niveaux détectables par la géologie ou la photochimie seule, ce qui en fait une signature infalsifiable de la vie. L'oxygène a rempli le ciel du monde simulé de Domagal-Goldman, non pas en raison de l'activité biologique là-bas, mais parce que le rayonnement solaire extrême enlevait les atomes d'oxygène des molécules de dioxyde de carbone dans l'air plus rapidement qu'ils ne pouvaient se recombiner. Cette biosignature pourrait être forgée après tout. La recherche de gaz de biosignature autour d'exoplanètes lointaines «est un problème intrinsèquement compliqué», a déclaré Victoria Meadows, une centrale australienne qui dirige le VPL. Dans les années qui ont suivi la découverte de Domagal-Goldman, Meadows a chargé son équipe de 75 personnes d’identifier les principaux «faux positifs d’oxygène» pouvant survenir sur les exoplanètes, ainsi que les moyens de distinguer ces fausses alarmes des véritables signes oxygénés de l’activité biologique. Meadows pense toujours que l'oxygène est le meilleur gaz de biosignature. Mais, a-t-elle dit, "si je vais chercher ceci, je veux m'assurer que quand je le vois, je sais ce que je vois." Pendant ce temps, Sara Seager, une chasseuse acharnée de «terres jumelles» au Massachusetts Institute of Technology, qui est largement reconnue pour avoir inventé la technique spectrale d'analyse des atmosphères d'exoplanètes, pousse la recherche sur les gaz de biosignature dans une direction différente. Seager reconnaît que l'oxygène est prometteur, mais elle exhorte la communauté astrobiologique à être moins terra-centrique dans sa vision du fonctionnement de la vie extraterrestre - à penser au-delà de la géochimie de la Terre et de l'air particulier que nous respirons. «À mon avis, nous ne voulons pas laisser une seule pierre non retournée; nous devons tout considérer », dit-elle. Alors que les futurs télescopes élargissent l’étude des mondes semblables à la Terre, ce n’est qu’une question de temps avant qu’un gaz de biosignature potentiel ne soit détecté dans un ciel lointain. Cela ressemblera à la découverte de tous les temps: preuve que nous ne sommes pas seuls. Mais comment le saurons-nous avec certitude?

Victoria Meadows, astrobiologiste et chercheuse principale du Virtual Planetary Laboratory de l’Université de Washington.

Les scientifiques doivent rapidement affiner leurs modèles et répondre aux mises en garde s'ils veulent sélectionner les meilleures exoplanètes à cibler avec le télescope James Webb. En raison des centaines d'heures qu'il faudra pour examiner le spectre de chaque atmosphère planétaire et des nombreuses demandes concurrentes de son temps, le télescope n'observera probablement qu'entre un et trois mondes terrestres dans les zones habitables de «Boucle d'or» des étoiles proches.

En choisissant parmi une liste croissante d'exoplanètes connues, les scientifiques veulent éviter les circonstances planétaires dans lesquelles des faux positifs d'oxygène surviennent. «Nous envisageons peut-être de mettre nos œufs, sinon tous dans le même panier, du moins dans seulement quelques paniers», a déclaré Meadows, «il est donc important d'essayer de déterminer ce que nous devrions rechercher là-bas. Et en particulier, comment nous pourrions être trompés. Souffle de vie

L'oxygène est considéré comme l'étalon-or depuis que le chimiste James Lovelock a envisagé pour la première fois les gaz de biosignature en 1965, alors qu'il travaillait pour la NASA sur des méthodes de détection de la vie sur Mars. Alors que Frank Drake et d'autres pionniers de l'astrobiologie cherchaient à détecter des signaux radio provenant de civilisations extraterrestres lointaines - un effort en cours appelé la recherche d'intelligence extraterrestre (SETI) - Lovelock a estimé que la présence de vie sur d'autres planètes pouvait être déduite en recherchant des gaz incompatibles dans leurs atmosphères. Si deux gaz qui réagissent l'un avec l'autre peuvent tous deux être détectés, alors une biochimie vivante doit continuellement reconstituer les réserves atmosphériques de la planète. Dans le cas de la Terre, bien qu’elle réagisse facilement avec les hydrocarbures et les minéraux dans l’air et le sol pour produire de l’eau et du dioxyde de carbone, l’oxygène diatomique (O2) constitue en permanence 21% de l’atmosphère. L’oxygène persiste car il est déversé dans le ciel par les photosynthétiseurs de la Terre - plantes, algues et cyanobactéries. Ils sollicitent la lumière du soleil pour enlever les atomes d'hydrogène des molécules d'eau, construisant des glucides et libérant le sous-produit de l'oxygène sous forme de déchets.

Si la photosynthèse cessait, l'oxygène existant dans le ciel réagirait avec les éléments de la croûte et tomberait à l'état de traces dans 10 millions d'années. Finalement, la Terre ressemblerait à Mars, avec son air rempli de dioxyde de carbone et sa surface rouillée et oxydée - preuve, selon Lovelock, que la planète rouge n'abrite pas actuellement de vie. Mais si l'oxygène est une marque de la vie sur Terre, pourquoi cela devrait-il être vrai ailleurs? Meadows soutient que la photosynthèse offre un avantage évolutif si clair qu'elle est susceptible de se généraliser dans n'importe quelle biosphère. La photosynthèse met la plus grande source d'énergie sur toute planète, son soleil, à travailler sur le lieu le plus courant des matières premières planétaires: l'eau et le dioxyde de carbone. "Si vous voulez avoir le métabolisme, vous allez essayer de faire évoluer quelque chose qui vous permettra d'utiliser la lumière du soleil, car c'est là que ça se passe", a déclaré Meadows. L'oxygène diatomique possède également de fortes bandes d'absorption dans le visible et le proche infrarouge - la plage de sensibilité exacte du télescope James Webb de 8 milliards de dollars et du télescope de levé infrarouge à champ large (WFIRST), une mission prévue pour les années 2020. Avec tant d'espoirs imminents sur l'oxygène, Meadows est déterminé à savoir «où les pièges sont susceptibles d'être». Jusqu'à présent, son équipe a identifié trois mécanismes non biologiques majeurs qui peuvent inonder une atmosphère d'oxygène, produisant des faux positifs à vie.

Sur les planètes qui se sont formées autour de petites et jeunes étoiles naines M, par exemple, une lumière ultraviolette intense peut dans certains cas faire bouillir les océans de la planète, créant une atmosphère épaisse de vapeur d’eau. À haute altitude, comme l'ont rapporté les scientifiques de VPL dans la revue Astrobiology l'année dernière, un rayonnement UV intense éclate les atomes d'hydrogène légers. Ces atomes s’échappent ensuite dans l’espace, laissant derrière eux un voile d’oxygène des milliers de fois plus dense que l’atmosphère terrestre.

Parce que la petite taille des étoiles M-naines facilite la détection de planètes rocheuses beaucoup plus petites passant devant elles, elles sont les cibles prévues pour le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA, une mission de recherche de planètes qui doit être lancée l'année prochaine. Les planètes terrestres qui seront étudiées par le télescope James Webb seront sélectionnées parmi les découvertes de TESS. Avec ces candidats en route, les astrobiologistes doivent apprendre à faire la distinction entre les photosynthétiseurs extraterrestres et le bouillonnement des océans.

Dans un travail actuellement en préparation pour publication, Meadows et son équipe montrent qu'une bande d'absorption spectrale du tétraoxygène (O4) se forme de manière lâche lorsque les molécules d'O2 entrent en collision. Plus l'O2 est dense dans une atmosphère, plus les collisions moléculaires se produisent et plus le signal tétraoxygène devient fort. «Nous pouvons chercher le [O4] pour nous donner le signe révélateur que nous ne regardons pas seulement une atmosphère à 1 bar avec 20% d'oxygène» - une atmosphère terrestre évoquant la photosynthèse - a expliqué Meadows, «nous regardons quelque chose qui contient juste d'énormes quantités d'oxygène.

Un signal fort de monoxyde de carbone identifiera le faux positif que Domagal-Goldman a rencontré pour la première fois ce matin brumeux de 2010. Maintenant chercheur au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, il dit ne pas s'inquiéter pour le long terme de l'oxygène. perspectives en tant que gaz de biosignature fiable. Les faux positifs à l'oxygène ne se produisent que dans de rares cas, a-t-il déclaré, «et la planète qui a ces certains cas va également avoir des propriétés d'observation que nous devrions être en mesure de détecter, tant que nous y pensons à l'avance, ce que nous fais en ce moment.

Lui et d'autres astrobiologistes sont également conscients, cependant, des faux négatifs de l'oxygène - des planètes qui abritent la vie mais n'ont pas d'oxygène détectable dans leurs atmosphères. Les faux positifs et les faux négatifs ont aidé à convaincre Sara Seager de la nécessité de penser au-delà de l'oxygène et d'explorer des biosignatures plus originales.

Encyclopédie des gaz

Si les diverses découvertes d’exoplanètes de la dernière décennie nous ont appris quelque chose, c’est que les tailles, les compositions et les chimies des planètes varient considérablement. En traitant l'oxygène comme le gaz de biosignature ultime, selon Seager, nous pourrions manquer quelque chose. Et avec un rêve personnel de découvrir des signes de vie extraterrestre, le joueur de 44 ans ne peut pas le supporter.

Même sur Terre, souligne Seager, les photosynthétiseurs pompaient de l’oxygène pendant des centaines de millions d’années avant que le processus ne submerge les puits d’oxygène de la Terre et que l’oxygène ne commence à s’accumuler dans le ciel, il y a 2,4 milliards d’années. Jusqu'à il y a environ 600 millions d'années, à en juger de loin par ses seuls niveaux d'oxygène, la Terre aurait pu sembler sans vie.

Meadows et ses collaborateurs ont étudié des alternatives à la photosynthèse oxygénée. Mais Seager, avec William Bains et Janusz Petkowski, défendent ce qu'ils appellent l'approche «toutes molécules». Ils compilent une base de données exhaustive de molécules - 14 000 à ce jour - qui pourraient vraisemblablement exister sous forme de gaz. Sur Terre, plusieurs de ces molécules sont émises à l'état de traces par des créatures exotiques blotties dans les évents océaniques et dans d'autres milieux extrêmes; ils ne s’accumulent pas dans l’atmosphère.

Les gaz pourraient cependant s'accumuler dans d'autres contextes planétaires. Sur les planètes riches en méthane, comme les chercheurs l'avaient soutenu en 2014, les photosynthétiseurs pourraient récolter du carbone à partir du méthane (CH4) plutôt que du CO2 et cracher de l'hydrogène plutôt que de l'oxygène, conduisant à une abondance d'ammoniac. «Le but ultime et à long terme est [de] regarder un autre monde et de faire des suppositions éclairées sur ce que la vie pourrait produire sur ce monde», a déclaré Bains, qui partage son temps entre le MIT et Rufus Scientific au Royaume-Uni.

Domagal-Goldman convient qu'il est important de réfléchir à la fois profondément à l'oxygène et à toutes les autres possibilités biochimiques. «Parce que toutes ces surprises se sont produites dans nos détections des masses, des rayons et des propriétés orbitales de ces autres mondes», a-t-il dit, «[les astronomes] vont continuer à pousser les gens comme moi qui viennent d'un milieu des sciences de la Terre, en disant , "Pensons plus loin en dehors des sentiers battus." C'est une pression saine et nécessaire. "

Meadows remet cependant en question le caractère pratique de l'approche toutes molécules. Dans un e-mail de 3 000 mots critiquant les idées de Seager, elle a écrit: «Après avoir créé cette base de données exhaustive, comment identifier les molécules les plus susceptibles d’être produites par la vie? Et comment identifiez-vous leurs faux positifs? » Elle a conclu: «Vous devrez toujours être guidé par la vie sur Terre, et par notre compréhension des environnements planétaires et de la manière dont la vie interagit avec ces environnements.»

En réfléchissant à ce que pourrait être la vie, il est extrêmement difficile d’échapper au seul point de données dont nous disposons - pour le moment...

Sara Seager, astrophysicienne et planétologue au Massachusetts Institute of Technology.

L'équation de Drake

Lors d'un symposium en 2013, Seager a présenté une version révisée de l'équation de Drake, la célèbre formule de 1961 de Frank Drake pour évaluer les chances de réussite du SETI. Alors que l’équation de Drake a multiplié une série de facteurs pour la plupart inconnus pour estimer le nombre de civilisations de radiodiffusion dans la galaxie, l’équation de Seager estime le nombre de planètes avec des gaz de biosignature détectables.

Avec la capacité moderne de rechercher n'importe quelle vie, qu'elle soit intellectuellement capable de transmettre des messages dans l'espace, le calcul de nos chances de succès ne dépend plus d'incertitudes telles que la rareté de l'intelligence comme résultat évolutif ou la popularité galactique de la technologie radio. Cependant, l'une des plus grandes inconnues demeure: la probabilité que la vie survienne en premier lieu sur une planète rocheuse, aqueuse et atmosphérique comme la nôtre.

L '«abiogenèse», comme on appelle l'événement mystérieux, semble s'être produite peu de temps après que la Terre ait accumulé de l'eau liquide, ce qui conduit certains à spéculer que la vie pourrait démarrer facilement, voire inévitablement, dans des conditions favorables. Mais si tel est le cas, l’abiogenèse n’aurait-elle pas dû se produire plusieurs fois dans l’histoire de la Terre, vieille de 4,5 milliards d’années, engendrant plusieurs lignées biochimiquement distinctes plutôt qu’une monoculture de la vie basée sur l’ADN?

John Baross, un microbiologiste de l'Université de Washington qui étudie les origines de la vie, a expliqué que l'abiogenèse aurait bien pu se produire à plusieurs reprises, créant une ménagerie de codes génétiques, de structures et de métabolismes sur la Terre primitive. Mais l'échange de gènes et la sélection darwinienne auraient fusionné ces différents parvenus en une seule lignée, qui a depuis colonisé pratiquement tous les environnements sur Terre, empêchant de nouveaux arrivants de gagner du terrain. En bref, il est pratiquement impossible de dire si l’abiogenèse était un événement fortuit ou un événement courant - ici ou ailleurs dans l’univers.

Prévu pour prendre la parole en dernier lors du symposium, Seager a donné un ton léger pour l'after party. «Je mets tout en notre faveur», a-t-elle déclaré, affirmant que la vie a 100% de chances d'apparaître sur des planètes semblables à la Terre et que la moitié de ces biosphères produiront des gaz de biosignature détectables - une autre incertitude dans son équation. L'analyse de ces chiffres extrêmement optimistes a donné la prédiction que deux signes de vie extraterrestre seraient trouvés dans la prochaine décennie. "Vous êtes censé rire", a déclaré Seager.

Meadows, Seager et leurs collègues conviennent que les chances d'une telle détection cette décennie sont minces. Bien que les perspectives s'améliorent avec les missions futures, le télescope James Webb devrait être extrêmement chanceux pour choisir un gagnant lors de ses premières tentatives. Et même si l'une de ses planètes ciblées héberge la vie, les mesures spectrales sont facilement déjouées.

En 2013, le télescope spatial Hubble a surveillé la lumière des étoiles traversant l'atmosphère d'une planète de taille moyenne appelée GJ 1214b, mais le spectre était plat, sans aucune empreinte chimique. Seager et ses collaborateurs ont rapporté dans Nature qu’une couche de nuages ​​à haute altitude semblait avoir masqué le ciel de la planète