L’étude des exoplanètes a considérablement mûri au cours des dix dernières années. Au cours de cette période, la majorité des plus de 4000 exoplanètes que nous connaissons actuellement ont été découvertes.
C’est également à cette époque que le processus a commencé à passer du processus de la découverte à la caractérisation. De plus, les instruments de la prochaine génération permettront des études qui en apprendront beaucoup sur les surfaces et les atmosphères des exoplanètes.
Cela soulève naturellement la question : qu’est-ce qu’une espèce suffisamment avancée verrait si elle étudiait notre planète ? À l’aide de données multi-longueurs d’onde de la Terre, une équipe de scientifiques de Caltech a été en mesure de construire une carte de ce à quoi ressemblerait la Terre pour les observateurs extraterrestres éloignés. En plus de s’attaquer à la démangeaison de la curiosité, cette étude pourrait aussi aider les astronomes à reconstituer les caractéristiques de surface d’exoplanètes “semblables à la Terre“ dans l’avenir.
L’étude qui décrit les conclusions de l’équipe, intitulée “Earth as an Exoplanet: A Two-dimensional Alien Map“, récemment paru dans la revue Science Mag et dont la publication dans The Astrophysical Journal Letters est prévue. L’étude a été menée par Siteng Fan et comprenait plusieurs chercheurs de la Division of Geological and Planetary Sciences (GPS) du California Institute of Technology et du Jet Propulsion Laboratory de la NASA.
Représentation artistique de l’atmosphère d’une exoplanète qui réagit par son interaction avec son étoile. Crédit: NASA, ESA et G. Bacon (STSci)
Lorsqu’ils cherchent des planètes potentiellement habitables au-delà de notre système solaire, les scientifiques sont forcés d’adopter l’approche indirecte. Étant donné que la plupart des exoplanètes ne peuvent être observées directement pour connaître leur composition atmosphérique ou leurs caractéristiques de surface (imagerie directe), les scientifiques doivent se contenter d’indications qui montrent à quel point une planète ressemble à la Terre.
Comme Fan l’a dit à Universe Today par courriel, cela reflète les limites auxquelles les astronomes et les études sur les exoplanètes sont actuellement forcés de faire face :
“Tout d’abord, les études actuelles sur les exoplanètes n’ont pas permis de déterminer quelles sont les exigences les plus faibles en matière d’habitabilité. Certains critères sont proposés, mais nous ne savons pas s’ils sont suffisants ou nécessaires. Deuxièmement, même avec ces critères, les techniques d’observation actuelles ne sont pas suffisantes pour confirmer l’habitabilité, en particulier sur les exoplanètes de type terrestre en raison de la difficulté de les détecter et de les contraindre.”
Étant donné que la Terre est la seule planète que nous connaissons capable de supporter la vie, l’équipe a émis l’hypothèse que les observations à distance de la Terre pourraient servir de substitut à une exoplanète habitable comme celle observée par une civilisation lointaine. “La Terre est la seule planète que nous connaissons qui contient de la vie”, dit Fan. “Étudier à quoi ressemble la Terre pour des observateurs éloignés nous indiquerait comment trouver des exoplanètes potentiellement habitables.”
Image directe d’exoplanètes autour de l’étoile HR8799 à l’aide d’un coronographe vortex sur une portion de 1,5 m du télescope Hale. Crédit : NASA/JPL-Caltech/Palomar Observatory
L’un des éléments les plus importants du climat de la Terre (et qui est essentiel à toute vie à sa surface) est le cycle de l’eau, qui comporte trois phases distinctes. Il s’agit notamment de la présence de vapeur d’eau dans l’atmosphère, de nuages d’eau condensée et de particules de glace, et de la présence de plans d’eau à la surface.
Par conséquent, la présence de ces signes pourrait être considérée comme des indications potentielles d’habitabilité et même des signes de vie (ou bio-signatures) qui pourraient être observés de loin. Il serait donc essentiel de pouvoir identifier les caractéristiques de surface et les nuages sur les exoplanètes afin d’imposer des contraintes à leur habitabilité.
Pour déterminer à quoi ressemblerait la Terre pour des observateurs éloignés, l’équipe a compilé 9740 images de la Terre qui ont été prises par le satellite DSCOVR (Deep Space Climate Observatory) de la NASA. Les images ont été prises toutes les 68 à 110 minutes sur une période de deux ans (2016 et 2017) et ont réussi à capter la lumière réfléchie par l’atmosphère terrestre à plusieurs longueurs d’onde.
Fan et ses collègues ont ensuite combiné les images pour former un spectre de réflexion de 10 points tracé dans le temps, qui ont ensuite été intégrés sur le disque terrestre. Ceci reproduisait efficacement ce à quoi la Terre pourrait ressembler pour un observateur à plusieurs années-lumière de distance s’il devait observer la Terre sur une période de deux ans.
Les caractéristiques de surface pourraient être plus perceptibles grâce à une nouvelle méthode développée par Caltech. Crédit : AIU/L. Calçada
“Nous avons constaté que la deuxième composante principale de la courbe de lumière de la Terre est fortement corrélée à la fraction terrestre de l’hémisphère illuminé (r^2=0.91)”, a dit Fan. “Combiner avec la géométrie de visualisation, reconstruire la carte devient un problème de régression linéaire.”
Après avoir analysé les courbes résultantes et les avoir comparées aux images originales, l’équipe de recherche a découvert quels paramètres des courbes correspondaient à la couverture terrestre et nuageuse. Ils ont ensuite choisi les paramètres les plus étroitement liés à la surface terrestre et les ont ajustés à la rotation de la Terre sur 24 heures, ce qui leur a donné une carte en courbes de niveau (illustrée ci-dessus) qui représentait à quoi ressemblerait la courbe lumineuse de la Terre à des années-lumière de distance.
Les lignes noires représentent le paramètre des caractéristiques de surface et correspondent approximativement aux côtes des principaux continents. Ceux-ci sont en outre colorés en vert pour fournir une représentation approximative de l’Afrique (au centre), de l’Asie (en haut à droite), de l’Amérique du Nord et du Sud (à gauche) et de l’Antarctique (en bas). Ce qui se trouve entre les deux représente les océans de la Terre, les parties les moins profondes étant représentées en rouge et les plus profondes en bleu.
Ces types de représentations, lorsqu’elles sont appliquées aux courbes de lumière d’exoplanètes lointaines, pourraient permettre aux astronomes d’évaluer si une exoplanète possède les océans, les nuages et les calottes glaciaires – tous les éléments nécessaires d’une exoplanète “semblable à la Terre” (alias habitable). Comme l’a conclu Fan :
“L’analyse des courbes de lumière dans ce travail a des implications pour la détermination des caractéristiques géologiques et des systèmes climatiques sur exoplanète. Nous avons constaté que la variation de la courbe de lumière de la Terre est dominée par les nuages et la terre/océan, qui sont tous deux essentiels à la vie sur Terre. Par conséquent, les exoplanètes semblables à la Terre qui abritent ce genre de caractéristiques seraient plus susceptibles d’abriter la vie.”
Des planètes semblables à la Terre. Source de l’image : JPL
À l’avenir, des instruments de nouvelle génération comme le télescope spatial James Webb (JWST) permettront d’effectuer les relevés exoplanètes les plus détaillés à ce jour. De plus, les instruments terrestres qui seront mis en service au cours de la prochaine décennie – comme le Très Grand Télescope (VLT), le Télescope de Trente Mètres (TMT) et le télescope géant Magellan (GMT) – devraient permettre d’étudier directement par imagerie les planètes rocheuses plus petites qui orbitent à proximité de leurs étoiles.
Grâce à des études qui aident à déterminer les caractéristiques de surface et les conditions atmosphériques, les astronomes pourraient enfin être en mesure de dire avec certitude quelles exoplanètes sont habitables et lesquelles ne le sont pas. Avec un peu de chance, la découverte d’une Terre 2.0 (ou de plusieurs Terres d’ailleurs) pourrait bien être au coin de la rue !
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