Bioastronomie - La vie autour des étoiles géantes rouges - Détection des exoplanètes

 

 

La vie autour des étoiles géantes rouges

Détection des exoplanètes (III)

Grâces à des méthodes interférométriques et spectroscopiques, les astronomes ont découvert à ce jour plus d'une centaine d'exoplanètes dans la Galaxie et leur nombre ne cesse d'augmenter. La plupart appartiennent à la famille des "hot Jupiter" et ne ressemblent pas du tout à des planètes telluriques. Mais d'ici quelques années le télescope spatial interférométrique Terrestrial Planet Finder (TPF) permettra de découvrir des planètes de la taille de Neptune.

En 2002, Sabine Frink et son équipe ont découvert une exoplanète gravitant autour de l'étoile Iota Draconis grâce à la détermination de sa vitesse radiale. L'exoplanète a une masse d'environ 9 fois celle de Jupiter, elle est donc à peine plus grosse que lui et orbite à 1.3 U.A. de son étoile. L'étoile également cataloguée HIP 75458, est une sous-géante de type spectral K2III. Elle présente une luminosité de 1.85 L¤ et une masse de 1.05 M¤. Elle est située à 31.5 pc soit 102.7 a.l.

Illustration du système planétaire Iota Draconis. Document T.Lombry

La Figure 1 présente la zone habitable entourant cette étoile. Elle s'étend entre 7 et 14 U.A. Les conditions habitables à 7 U.A dureront environ 100 millions d'années, ce qui est raisonnable et même optimiste pour assister au développement de la vie. La présence d'une planète de la taille de Jupiter à cette distance encourage les astronomes à imaginer que d'autres exoplanètes, peut-être même telluriques, pourraient graviter autour de cette étoile.

A ce jour, dans un rayon de 100 a.l. autour du Soleil il existe 94 étoiles de classe de luminosité IV (sous-géante), 44 sources de classe III (géante rouge normale) et 2 sources de classe II (géante brillante). Les classes de luminosité III et IV sont le résultat d'étoile de masse faible à moyenne (0.8-1.2 M¤) venant juste de quitter la Séquence principale. Ces deux classes d'étoiles offrent le plus grand intérêt. Dans le cas de la classe IV, la zone habitable se déplace relativement lentement vers l'extérieur pour des étoiles de masse < 2 M¤, des conditions qui n'excluent pas le développement de la vie. Dans le cas de la classe III, après une première ascension le long de la branche RGB et un flash de l'hélium, les étoiles évoluent vers une phase stable de fusion de l'hélium qui est également favorable à l'apparition de la vie. On estime qu'environ 30 à 60% des étoiles de classe de luminosité IV se trouvent actuellement dans cette phase.

Remarquons que ces 94 étoiles géantes, comparées au quelque 1000 étoiles proches situées sur la Séquence principale (tous types spectraux confondus) représentent environ 14% de la population stellaire bien que l'échantillon soit probablement surestimé du fait que les étoiles géantes sont plus brillantes que les étoiles de la Séquence principale. Toutefois, dans un rayon de 100 a.l. il ne fait aucun doute que vu leur densité (5x10-3 par rapport aux étoiles de la Séquence principale) les étoiles évoluées ont très bien pu contribuer au développement de la vie.

L'interféromètre infrarouge du télescope TPF. Il étudiera tous les stades de la formation des exoplanètes. Document TPF/JPL.

A l'avenir les télescopes spatiaux de grande ouverture couplés à des coronographes efficaces et au développement de technologie interférométrique tirant profit de systèmes à faible bruit (refroidis) tels que TPF et SIM aideront les astronomes à découvrir des planètes de la taille de la Terre à quelques dizaines d'années-lumière.

Ainsi que nous l'avons expliqué à propos de la recherche des exoplanètes, toute la difficulté réside dans la détection des signatures atmosphériques autour des étoiles géantes rouges et l'identification des biosignatures.

Détecter une atmosphère planétaire impose un contraste élevé entre la planète et son étoile hôte. Pour une étoile de 1 M¤, en raison de la relation en carré inverse entre la taille de la zone habitable et la luminosité stellaire, la taille de la zone habitable d'une étoile de 4 L¤ est de l'ordre de 2 U.A., elle est de 5 U.A. pour une étoile de 25 L¤ et de 10 U.A. pour une étoile de 100 L¤.

Le rapport de contraste permettant d'observer une planète gravitant autour d'une étoile sous-géante ou géante rouge augmente d'un facteur 4 à 100, une gamme de luminosité correspondant à un temps de transit relativement long. Cette différence de contraste équivaut à découvrir une planète gravitant autour d'une étoile naine (FGK) de la Séquence principale (classe de luminosité V) comme le prévoient les projets TPF et Darwin.

D'autre part, la résolution angulaire nécessaire pour séparer la planète de son étoile diminue du fait de l'augmentation de la zone habitable. Dans le cas de l'étoile HIP 75458, la séparation angulaire de la zone habitable de l'étoile est d'environ 0.3". Cette séparation est bien dans les valeurs accessibles aux télescopes spatiaux de 5 à 10 m d'ouverture opérant dans le spectre visible et proche infrarouge, sans oublier le futur Giant Telescope Magellan qui sera installé au Chili. Constitué de 7 miroirs de 8.4 m de diamètre, il offrira un diamètre équivalent à un télescope de 21.5 m d'ouverture et une résolution 12 fois supérieure à celle du Télescope Spatial Hubble !

Compte tenu du contraste nécessaire pour détecter une exoplanète, de la taille de la zone habitable et du champ du télescope, pour une étoile de 1 M¤ dont la zone habitable varie entre 2 et 15 U.A., le rayon stellaire varie approximativement entre 2 et 15 R¤ (Cf. Figure 1(a) et 1(b)).

Si les télescopes spatiaux TPF et Darwin sont en mesure de détecter des planètes similaires à la Terre gravitant autour de ces étoiles, cela signifie que ces instruments sont également capables de détecter de telles planètes gravitant autour d'étoiles sous-géantes ou géantes rouges.

En guise de conlusion

En découvrant qu'il existe une chance de découvrir de la vie autour d'étoiles géantes ayant entamées la fusion de l'hélium nous augmentons d'un milliard d'années soit environ 10% de la vie des étoiles solaires les chances de trouver de la vie dans l'univers.

Si la vie existe autour des étoiles sous-géantes et géantes rouges de masse voisine de celle du Soleil, elle devrait évoluer sur des planètes situées à plusieurs U.A. des étoiles considérées. Bien que l'évolution temporelle de ces étoiles soit relativement rapide dès qu'elles ont quitté la Séquence principale, la durée du transit de la zone habitable ne paraît pas incompatible avec la durée estimée du développement de la vie telle que nous la connaissons sur Terre.

Par ailleurs, un mécanisme de panspermie pourrait transporter des organismes ou des molécules prébiotiques qu'une planète mourante vers une planète bénéficiant de conditions d'illumination favorables à la renaissance de la vie.

Nous avons vu dans le cas du Soleil que dans 5 milliards d'années environ, lorsqu'il aura atteint le stade de géante rouge, la vie pourra se développer à une distance comprise entre 2 et 9 U.A., la distance actuelle couvrant la Ceinture des astéroïdes, Jupiter et Saturne. La durée de transit de la zone habitable serait de l'ordre d'un milliard d'année à 2 U.A. et d'environ 100 millions d'années à 9 U.A. Après la phase RGB et le flash de l'hélium, il pourrait encore exister une longue période calme propice au développement de la vie durant environ un milliard d'année. A cette époque la zone habitable s'étendra entre 7 et 22 U.A, englobant cette fois Uranus.

Le système 55 Cancri au cours du transit de deux exoplanètes devant l'étoile de type solaire (G8). A ce jour, c'est le seul système dans lequel nous ayons découvert 5 exoplanètes. Document T.Lombry.

A ce jour nous ignorons si la vie est commune dans l'univers, extrêmement rare ou même si elle n'existe que sur la Terre. Nos théories et l'extrapolation de ce que nous observons partout sur Terre tendent à démontrer que la vie serait abondante dans l'univers mais nos moyens d'investigation ne nous permettent pas encore de confirmer cette séduisante hypothèse.

Les futurs télescopes spatiaux nous aideront à détecter la signature de la vie. Si la vie existe sur une exoplanète située dans une zone habitable dont le transit s'effectue en 10 millions d'années, cela prouverait que la vie est capable de se développer bien plus rapidement que sur Terre, réduisant d'autant la limite supérieure d'apparition de la vie. De plus, il serait intéressant de découvrir une planète liquide dans une zone habitable à transition rapide (par exemple 10 millions d'années) n'abritant aucune forme de vie. Cela permettrait de fixer une limite inférieure d'émergence de la vie.

Dans ce contexte, les environnements des étoiles évoluées représentent quelques cas intéressants à étudier, en particulier les environnements volcaniques tels que les évents hydrothermaux ou les milieux glacés liquides éventuels.

Grâce à ce genre de travail théorique fondé sur l'observation de l'évolution stellaire et des conditions propices au développement de la vie, nous savons à présent que des télescopes spatiaux de 35 à 60 m d'ouverture sont suffisants pour découvrir des exoplanètes de la taille de la Terre autour d'étoiles naines ou géantes proches. Nous savons également que dans la zone habitable qui les entoure des formes de vie pourraient survivre durant plus d'un milliard d'années. Tout ceci est très encourageant. Gageons que l'avenir donne raison aux chercheurs.

Pour plus d'information

Une façon de vivre propre aux étoiles

A la recherche de planètes habitables

Des milliards de Terre

Illustrations artistiques de quelques exoplanètes

L'origine de la vie

La mission Terrestrial Planet Finder (TPF)

Space Interferometry Mission (SIM)



24/11/2007
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