Les étoiles pauvres en métaux sont plus respectueuses de la vie

Dans la recherche de planètes habitables ou même habitées en orbite autour d’étoiles lointaines, les chercheurs se sont de plus en plus concentrés ces dernières années sur les enveloppes gazeuses de ces mondes. Les données d’observation montrent-elles la présence d’une atmosphère ? Contient-il peut-être même des gaz tels que l’oxygène ou le méthane, qui sur Terre sont produits presque exclusivement en tant que produits métaboliques de formes de vie ? Dans les prochaines années, de telles observations seront poussées à de nouvelles limites : le télescope James Webb de la Nasa permettra non seulement de caractériser les atmosphères de grandes géantes gazeuses comme Super-Neptunes, mais aussi d’analyser pour la première fois les signaux spectrographiques beaucoup plus faibles des atmosphères de planètes rocheuses.

À l’aide de simulations numériques, l’étude actuelle, qui a été publiée aujourd’hui dans Nature Communications, se tourne maintenant vers la teneur en ozone des atmosphères d’exoplanètes. Comme sur Terre, ce composé de trois atomes d’oxygène peut protéger la surface de la planète (et les formes de vie qui y résident) des rayons ultraviolets (UV) nocifs pour les cellules. Une couche protectrice d’ozone est donc une condition préalable importante à l’émergence d’une vie complexe. “Nous voulions comprendre quelles propriétés une étoile doit avoir pour que ses planètes forment une couche d’ozone protectrice”, explique Anna Shapiro, scientifique à l’Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire et première auteure de l’étude actuelle.

Comme souvent en science, cette idée a été déclenchée par une découverte antérieure. Il y a trois ans, des chercheurs dirigés par l’Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire avaient comparé les variations de luminosité du Soleil avec celles de centaines d’étoiles semblables au Soleil. Résultat : l’intensité de la lumière visible de nombre de ces étoiles fluctue beaucoup plus fortement que dans le cas du Soleil. “Nous avons vu d’énormes pics d’intensité”, explique Alexander Shapiro, qui a participé à la fois aux analyses d’il y a trois ans et à l’étude actuelle. “Il est donc tout à fait possible que le Soleil soit lui aussi capable de tels pics d’intensité. Dans ce cas, l’intensité de la lumière ultraviolette augmenterait également de façon spectaculaire”, ajoute-t-il. “Alors naturellement, nous nous sommes demandé ce que cela signifierait pour la vie sur Terre et quelle serait la situation dans d’autres systèmes stellaires”, explique Sami Solanki, directeur de l’Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire et co-auteur des deux études.

Double rôle du rayonnement UV

À la surface d’environ la moitié de toutes les étoiles autour desquelles des exoplanètes sont en orbite, les températures varient d’environ 5 000 à environ 6 000 degrés Celsius. Dans leurs calculs, les chercheurs se sont donc tournés vers ce sous-groupe. Avec une température de surface d’environ 5500 degrés Celsius, le Soleil en fait également partie. “Dans la chimie atmosphérique de la Terre, le rayonnement ultraviolet du Soleil joue un double rôle”, explique Anna Shapiro, dont les recherches passées portaient sur l’influence du rayonnement solaire sur l’atmosphère terrestre. Dans les réactions avec des atomes d’oxygène individuels et des molécules d’oxygène, l’ozone peut à la fois être créé et détruit. Alors que le rayonnement UV-B à ondes longues détruit l’ozone, le rayonnement UV-C à ondes courtes aide à créer de l’ozone protecteur dans l’atmosphère moyenne. “Il était donc raisonnable de supposer que la lumière ultraviolette pourrait également avoir une influence tout aussi complexe sur les atmosphères des exoplanètes”, ajoute l’astronome. Les longueurs d’onde précises sont cruciales.

Les chercheurs ont donc calculé exactement quelles longueurs d’onde composent la lumière ultraviolette émise par les étoiles. Pour la première fois, ils ont également considéré l’influence de la métallicité. Cette propriété décrit le rapport de l’hydrogène aux éléments plus lourds (appelés de manière simpliste et quelque peu trompeuse “métaux” par les astrophysiciens) dans le matériau de construction de l’étoile. Dans le cas du Soleil, il y a plus de 31 000 atomes d’hydrogène pour chaque atome de fer. L’étude a également pris en compte les étoiles à teneur en fer inférieure et supérieure.

Interactions simulées du rayonnement UV avec les gaz

Dans un deuxième temps, l’équipe a étudié comment le rayonnement UV calculé affecterait les atmosphères des planètes en orbite autour de ces étoiles à une distance favorable à la vie. Les distances respectueuses de la vie sont celles qui permettent des températures modérées – ni trop chaudes ni trop froides pour l’eau liquide – à la surface de la planète. Pour de tels mondes, l’équipe a simulé sur l’ordinateur exactement ce qui traite les mises en mouvement de la lumière UV caractéristique de l’étoile mère dans l’atmosphère de la planète.

Pour calculer la composition des atmosphères planétaires, les chercheurs ont utilisé un modèle chimie-climat qui simule les processus qui contrôlent l’oxygène, l’ozone et de nombreux autres gaz, ainsi que leurs interactions avec la lumière ultraviolette des étoiles, à une résolution spectrale très élevée. Ce modèle a permis l’étude d’une grande variété de conditions sur les exoplanètes et la comparaison avec l’histoire de l’atmosphère terrestre au cours du dernier demi-milliard d’années. Au cours de cette période, la haute teneur en oxygène atmosphérique et la couche d’ozone se sont établies, ce qui a permis l’évolution de la vie terrestre sur notre planète. “Il est possible que l’histoire de la Terre et de son atmosphère contienne des indices sur l’évolution de la vie qui pourraient également s’appliquer aux exoplanètes”, déclare Jos Lelieveld, directeur général de l’Institut Max Planck de chimie, qui a participé à l’étude.

Candidats prometteurs

Les résultats des simulations ont été surprenants pour les scientifiques. Dans l’ensemble, les étoiles pauvres en métaux émettent plus de rayonnement UV que leurs homologues riches en métaux. Mais le rapport entre le rayonnement UV-C générateur d’ozone et le rayonnement UV-B destructeur d’ozone dépend également de manière critique de la métallicité : dans les étoiles pauvres en métaux, le rayonnement UV-C prédomine, permettant la formation d’une couche d’ozone dense. Pour les étoiles riches en métaux, avec leur rayonnement UV-B prédominant, cette enveloppe protectrice est beaucoup plus clairsemée. “Contrairement aux attentes, les étoiles pauvres en métaux devraient ainsi offrir des conditions plus favorables à l’émergence de la vie”, conclut Anna Shapiro. Cette découverte pourrait être utile pour les futures missions spatiales telles que la mission Plato d’Esa, qui passera au peigne fin une vaste gamme d’étoiles à la recherche de signes d’exoplanètes habitables. Avec 26 télescopes à bord, la sonde éponyme sera lancée dans l’espace en 2026 et concentrera son attention principalement sur les planètes semblables à la Terre en orbite autour d’étoiles semblables au Soleil à des distances favorables à la vie. Le centre de données de la mission est actuellement en cours d’installation à l’Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire. “Notre étude actuelle nous donne des indices précieux sur les étoiles auxquelles Platon devrait accorder une attention particulière”, déclare Laurent Gizon, directeur général de l’Institut et co-auteur de l’étude actuelle.

Conclusion paradoxale

De plus, l’étude aboutit à une conclusion presque paradoxale : à mesure que l’univers vieillit, il est susceptible de devenir de plus en plus hostile à la vie. Des métaux et d’autres éléments lourds se forment à l’intérieur des étoiles à la fin de leur durée de vie de plusieurs milliards d’années et, selon la masse de l’étoile, sont libérés dans l’espace sous forme de vent stellaire ou d’explosion de supernova : le matériau de construction du prochaine génération d’étoiles. “Chaque étoile nouvellement formée dispose donc de plus de matériaux de construction riches en métaux que ses prédécesseurs. Les étoiles de l’univers deviennent de plus en plus riches en métaux à chaque génération”, explique Anna Shapiro. Selon la nouvelle étude, la probabilité que les systèmes stellaires produisent la vie diminue donc également à mesure que l’univers vieillit. Cependant, la recherche de la vie n’est pas sans espoir. Après tout, de nombreuses étoiles hôtes d’exoplanètes ont un âge similaire à celui du Soleil. Et cette étoile est en effet connue pour abriter des formes de vie complexes et intéressantes sur au moins une de ses planètes.