L'atmosphère est la couche protectrice essentielle à l'apparition et à la survivance du vivant à la surface d'une planète. En témoigne Mars qui dans son passé possédait une atmosphère, des océans d'eau liquide, et probablement de la vie... Mais qui maintenant n'est plus qu'un monde aride et froid, que certains espèrent ressusciter un jour. Il est préférable que ce qui est arrivé à Mars n'arrive jamais à la Terre, mais pour parer à cette éventualité, il est sage d'utiliser nos profondes connaissent de l'atmosphère terrestre pour rechercher un autre monde possédant une même atmosphère, en particulier en ce qui concerne sa composition.
Des météorites traversent l'atmosphère d'une exoplanète
L'étude atmosphérique des exoplanètes est encore très récente, et le plus gros des connaissances dans ce domaine se trouve devant nous. Cependant, plusieurs découvertes ont déjà été faites. La première d'entre elles, aussi évident que cela puisse paraître, est l'existence d'exoplanètes telluriques possédant une atmosphère. Le seul moyen pour prouver l'existence d'une atmosphère est d'attendre que la planète passe devant son étoile, et il faut alors chercher autour de la circonférence de l'exoplanète la "modification" de la lumière de l'étoile, qui aura été "troublée" en passant à travers l'atmosphère. C'est exactement comme faire passer de la fumée devant une lampe, on constate bien que la lumière de la lampe est différente, généralement plus opaque, à l'endroit où se trouve la fumée, et on peut alors déduire (ou carrément voir) la fumée.
Comparé au rayon d'une planète, l'atmosphère est vraiment toute petite ! Sur Terre l'atmosphère fait moins de 100 km d'épaisseur (dont la majorité de la matière est écrasée dans les 30 premiers kilomètres) alors que son rayon est d'environ 6400 km. La véritable couche atmosphérique ne représente donc que 0.0047 % du rayon terrestre.
En supposant que ce rapport est assez proche pour les exoplanètes, on se rend bien compte que "voir" l'épaisseur de l'atmosphère d'une exoplanète est déjà un défi en soit. Fort heureusement, le James Webb Space Telescope (JWST) lancé dans l'espace le 25 décembre 2021 et qui sera opérationnel à partir de mi-2022 est équipé d'instruments spécialement conçu pour étudier ces minuscules atmosphères qui recèlent pourtant tellement d'informations. Les grandes découvertes liées aux exoplanètes possédant des atmosphères se feront donc fort probablement à partir des années 2020, et dont les premières seront à n'en point douter concernant les mondes du Système TRAPPIST.
En plus de leur épaisseur, les atmosphères possèdent des caractéristiques propres telles que leur température effective, la dynamique apparente de leur masses de gaz, et leur fonctionnement climatique (dont par exemple leur nuages).
Modélisation de l'atmosphère et la surface d'une exoTerre (NASA Kepler Mission/Dana Berry)
Le plus gros de l'inspection d'une atmosphère doit passer à travers l'analyse spectrale. Cette technique est rendue possible par la méthode du transit qui consiste à observer une exoplanète lorsqu'elle passe devant son étoile. On utilise un puissant télescope pour obtenir le flux lumineux dans toutes les longueurs d'ondes de la lumière provenant de l'étoile qui a traversée l'atmosphère, ce qui permet d'obtenir des raies et bandes spectrales correspondantes aux éléments chimiques présent dans l'atmosphère de la planète. On peut ainsi déduire la liste des éléments présent, ainsi que leur concentration grâce à leur flux relatif. De cette façon on peut alors modéliser la composition atmosphérique de l'exoplanète que l'on étudie.
Lors d'une analyse atmosphérique on peut s'attendre à découvrir la présence de carbone, d'oxygène, d'hydrogène, d'hélium, d'argon, de méthane... et de molécule composées de ces atomes.
La présence d'ozone (O3) dans une atmosphère est très importante puisqu'une couche d'ozone en haute altitude est en mesure d'intercepter plus de 95% des rayons ultra-violet émis par l'étoile du système solaire, et puisque les rayons UV endommagent significativement l'ADN, alors l'ozone est essentielle à une vie (de type terrestre) sur une exoplanète. La présence de méthane (CH4) pourrait être dû à une activité volcanique ou géochimique, et augmenterait ainsi l'intérêt portée à une exoplanète. Enfin, la présence d'eau (H2O) dans l'atmosphère (sous forme de vapeur d'eau) serait plus que prometteur en tant qu'indice de viabilité d'une planète, pouvant être couplé au critère de la zone habitable et des paramètres stellaires pour vérifier la durée de vie estimée de cette atmosphère, et ainsi estimer si la vie a eu le temps de se développer à la surface.
Une analyse spectrale (NASA/JPL/ASU)
Ce qui intéresse le plus les instituts de recherche des exoplanètes et diverses agences et entreprises du spatial est ultimement de trouver une exoterre.
Ce terme désigne ce qui est plus couramment connu comme étant la "Planète B", une autre Terre, sur laquelle la civilisation pourrait continuer son expansion ou se réfugier en cas de drame terrestre (impact d'astéroïde inévitable, éruption super-volcanique, anéantissement de l'atmosphère par une méga-éruption solaire...).
Le voyage et la colonisation d'un tel monde est bien entendu du domaine de la science-fiction. Mais comme l'a démontré le livre De la Terre à la Lune de Jule Vernes, il suffit parfois d'un seul siècle pour passer de la fiction à la réalité. Il n'est donc pas ridicule d'étudier de tels scénarios, ou au moins de s'y préparer théoriquement. Cette préparation commence en conséquent par la recherche d'une exoterre.
Une exoterre doit avoir des caractéristiques planétaires similaire à la Terre, ainsi qu'avoir une atmosphère dont l'épaisseur, les caractéristiques (température, fonctionnement climatique, cycle saisonnier...), et les éléments chimiques la composant, soient similaire. Enfin, la détection d'une biosignature dans l'atmosphère d'une exoplanète pourrait signaler, avec l'accumulation des autres indices d'habitabilité, la présence d'êtres vivants. La biosignature s'obtient par la détection en quantités cohérentes des molécules utilisées et produites par des organismes vivants. Typiquement, on s'attend à voir du dioxygène (O2) qui est inhalé pour alimenter le sang, et du dioxyde de carbone (CO2) qui est expulsé comme déchet de la respiration.
D'autres analyses atmosphériques pourraient conduire à supposer que l'atmosphère d'une exoplanète est artificiellement modifiée par un phénomène anormale à sa surface, comme l'augmentation rapide de CO2 ou de CH4 et la diminution de O3, qui pourrait indiquer la présence d'une activité industrielle lourde et donc d'une civilisation technologiquement avancée habitant cette exoplanète.
Ce dernier point est cependant purement hypothétique est n'est pas à considérer avec beaucoup d'importance (pour le moment). Mais l'indice de la biosignature est en revanche bien plus étudié et est l'un des objet de recherche des scientifiques travaillant sur les exoplanètes, il est donc pertinent de le garder à l'esprit car il pourrait prendre beaucoup plus d'importance dans les années de découvertes à venir.
Pour conclure sur ce survol (introduction) des paramètres stellaires, orbitaux, planétaires et atmosphériques des exoplanètes, je dirais qu'aussi intéressant ou complexe que puisse paraître l'étendu du savoir actuel, il faut visualiser que toutes les connaissances actuellement acquises par la science dans ce domaine ne constitue aujourd'hui que la face visible de l'iceberg, et que le plus gros et spectaculaire se cache encore dans les noirceurs de l'espace.
Ce site, Exoplanetes.fr, tentera de transmettre les dernières nouvelles venant des étoiles et autres mondes, jusqu'au jour où la vie sera découverte ailleurs. Les plus récents progrès scientifiques seront expliqués dans chaque nouvelle page du site, et une certaine dose d'imaginaire propre à la part d'inconnue des autres mondes sera également distillée à travers le blog.
Bonne lecture à vous, chers voyageurs galactiques.