La chasse aux plus grandes cousines ​​de la Terre

Plus grands que la Terre mais plus petits que Neptune, ces mondes intermédiaires abritent des environnements étonnamment terrestres.

Par Michael Carroll  | Publié: Jeudi 10 octobre 2019

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Les scientifiques ne savent pas quoi faire de Kepler-452b. Les propriétés de la planète suggèrent qu'elle se situe à la frontière entre la super-terre rocheuse et la sous-Neptune gazeuse. S'il est de nature terrestre, il possède probablement une atmosphère épaisse et de nombreux volcans actifs.

NASA

Quelque part entre les géantes gazeuses et les mondes terrestres semblables à la Terre qui peuplent notre galaxie, se trouve une zone crépusculaire, une région où les planètes défient toute classification facile. C'est une dimension entre gazeux et rocheux, un territoire où la taille de la planète chevauche la Terre et Neptune.

Plusieurs de ces planètes hybrides récemment découvertes offrent les possibilités les plus excitantes pour des conditions semblables à la Terre sur d'autres mondes. Et partout où de tels environnements existent, on ne peut exclure la possibilité que la vie prenne sa place.

À la recherche de la Terre 2.0

Trouver des exoplanètes n'est pas facile. Il est difficile d'imaginer une planète à des distances interstellaires, car elle se perd dans les lueurs de son étoile hôte. Mais les astronomes sont habiles à taquiner les planètes en scrutant la lumière des soleils lointains. Lorsqu'un monde passe directement devant son étoile de notre point de vue (un transit), l'étoile s'assombrit et l'ampleur de l'atténuation dépend de la taille physique de la planète. La sonde Kepler a utilisé cette technique pour trouver des milliers d'exoworlds.

Une deuxième méthode, appelée vitesse radiale, mesure le mouvement d'une étoile lorsqu'un corps en orbite l'attire. La gravité de la planète fait vaciller son soleil. Lorsque la planète éloigne l'étoile de nous, la lumière devient plus rouge; sur le côté opposé de l'orbite, l'étoile est tirée vers nous, et sa lumière devient plus bleue. Les astronomes peuvent détecter ce changement dans la lumière d'une étoile. Et plus le changement est important, plus la planète doit être massive.

En combinant ces deux techniques, les scientifiques découvrent la nature des exoplanètes. Si une planète a deux fois la masse de la Terre mais le même volume, par exemple, elle doit être très dense et donc rocheuse. Mais si une planète dont la masse terrestre a 10 fois le volume de notre planète, il doit s'agir d'un monde à faible densité, comme un petit géant du gaz ou de la glace.

Les astronomes ont cartographié un large éventail de planètes en orbite dans la zone habitable de leur étoile hôte - la région où l’eau liquide pourrait exister à la surface du monde - des plus petits, semblables au Mercure, aux mondes rocheux ou gazeux de la taille de Neptune. Notre galaxie pourrait contenir 10 milliards de mondes avec des tailles comparables à la nôtre. Parmi les exoplanètes connues, cependant, les mondes de taille Neptune et sous-Neptune sont les plus courants. Beaucoup de ces géants relativement petits sont qualifiés de super-Terre.

Gliese 581g pourrait être l’un des mondes les plus semblables à la Terre de notre galaxie. Son orbite étroitement enroulée autour d'un soleil nain rouge place l'exoplanète dans la zone habitable de l'étoile. Les modèles indiquent que dans les bonnes conditions, un grand océan se répandrait dans l'hémisphère de cette super-Terre face à l'étoile.

Super-terres et sous-Neptunes

De manière générale, le terme super-Terre s’applique aux planètes plus grandes que la Terre mais qui ont toujours une surface rocheuse et une atmosphère mince. Le terme sous-Neptune désigne un petit géant gazeux. Mais les incertitudes dans les données signifient que la frontière entre ces deux classes est plus floue qu’elle est nette.

Les super-terres semblent être le type d'exoplanète le plus répandu. Environ trois mondes sur dix maintenant connus entrent dans cette catégorie. Ces mondes n'ont pas d'analogue dans notre système solaire. Les scientifiques classent les super-Terre strictement par masse, sans tenir compte de leur composition, de leur nature ou de leur distance par rapport à leur étoile hôte. La plupart de ceux qui ont été découverts jusqu'ici gravitent autour de leurs soleils, tout simplement parce qu'ils sont les plus faciles à détecter. Les masses de ces mondes vont de 1,5 à 2 masses terrestres à 10 terres.

Les astronomes classent les super-terres en quatre catégories. Les planètes à faible densité contiennent de grandes quantités d'hydrogène et d'hélium et sont appelées naines ou sous-Neptunes. Les super-terres à densité moyenne sont probablement des mondes océaniques où l'eau est un composant majeur. Un troisième type a un noyau plus dense qu'un sous-Neptune mais possède toujours une atmosphère étendue de sous-Neptune. L'étendue de cette atmosphère dépend de la distance qui sépare la planète de son étoile: plus elle est en orbite, plus elle sera fraîche et plus elle conservera d'atmosphère. Enfin, les super-Terres à haute densité plus grandes, parfois appelées méga-Terres, comprennent probablement des composants majeurs de la roche et / ou du métal.

Kepler-22b est probablement une planète rocheuse dont le rayon est environ 2,4 fois celui de la Terre. Il gravite autour de son étoile hôte près du bord intérieur de la zone habitable afin de ressembler davantage à Vénus qu’à la Terre.

Pas tout à fait comme Neptune

Les omniprésents sous-Neptunes rejoignent la ménagerie exoplanète avec des masses allant jusqu'à un peu moins que celles d'Uranus et de Neptune dans notre système. (Uranus contient 14,5 masses terrestres; Neptune en tient 17,1.) Ces mondes ont probablement une grande variété de personnalités.

Le chercheur Mark Marley modélise les atmosphères exoplanètes au centre de recherche Ames de la NASA à Moffett Field, en Californie. Il croit que les sous-Neptunes pourraient s'avérer être les mondes les plus variés. «Vous devenez plus gros qu'une Saturne ou à peu près, et [les planètes] ont toutes tendance à avoir à peu près la même taille parce qu'elles sont dominées par leurs atmosphères d'hydrogène et d'hélium. Lorsque vous vous approchez d'une masse terrestre, ce sont probablement tous des mondes rocheux avec un peu d'atmosphère. Mais [dans cette région entre Neptune et la Terre], il y a probablement une très grande variété de ce que ces planètes pourraient être. Chacun sera unique », dit-il. Leur nature dépend de nombreux facteurs, notamment leur masse, la quantité d'eau qu'ils possèdent et la taille de leur noyau.

Comme Neptune, la plupart des sous-Neptunes sont gazeux. Contrairement à Neptune, cependant, beaucoup de ces mondes gravitent autour de leur étoile hôte. Cela donne aux astronomes un mystère: comment les sous-Neptunes se sont-ils retrouvés près de leur étoile quand ils ont dû se former dans les régions extérieures de leur système planétaire? De tels mondes ne peuvent naître qu'au-delà de la ligne de neige, où les températures fraîches leur permettent de collecter de grandes quantités de glaces et de gaz.

Les planètes, semble-t-il, sont des choses glissantes, capables de se former à un endroit et de se déplacer vers un autre. La disposition des géantes de gaz et de glace de notre système solaire au-delà des mondes terrestres plus petits n'est apparemment pas la norme dans toute la galaxie. Les astronomes ont développé le modèle Grand Tack pour expliquer l'évolution précoce du système solaire. La théorie propose que Jupiter et Saturne ont marché vers le Soleil, mais Saturne a été capable de tirer Jupiter du bord de la mort. Des migrations similaires peuvent être courantes dans d'autres systèmes, où des sous-Neptunes pourraient se former sur une grande distance et dériver plus tard vers l'étoile. Un monde semblable à la Terre qui se développe près de son soleil aurait une densité beaucoup plus élevée car il lui manque la teneur en eau d'une planète provenant de la région extérieure plus froide du système.

Kepler-62, une orbite de deux super-terres. Les deux mondes ont probablement des océans profonds, bien que Kepler-62f (en bas) orbite plus loin de son étoile que Kepler-62e (en haut) et puisse donc être recouvert de glace.

Elisa Quintana du Centre de recherche Ames a travaillé avec une équipe pour tenter de comprendre quand une planète passe de la Terre à une planète gazeuse sous-Neptune. «Avant de connaître les exoplanètes, nous avions une relation de base masse-rayon basée sur notre système solaire. Maintenant, nous avons dû jeter cela », dit-elle. «Les modèles théoriques nous disent que la transition de la super-Terre rocheuse à la sous-Neptune gazeuse est d'environ 1,5 ou 1,6 rayon terrestre. Une fois qu'une planète aura atteint deux rayons de la Terre, elle ressemblera davantage à un sous-Neptune. »Les chercheurs espèrent déterminer le point de transition en étudiant de plus en plus de super-Terres.

Combien comme à la maison?

Bien que la découverte de planètes de dimensions terrestres soit passionnante, il faut plus que la taille pour créer une Terre. Même parmi les mondes proches de la taille et de la masse de la Terre, les cueillettes «semblables à la Terre» semblent minces. La plupart orbitent en dehors de la zone habitable de l'étoile hôte.

Une planète de la taille de la Terre, entourée de Gliese 1132, est typique des astronomes. Les astronomes calculent que cette dernière s'étend sur 1,2 rayon de la Terre et que sa masse est environ 1,6 fois plus grande que notre planète. Comme vont les planètes semblables à la Terre, jusqu'ici, tout va bien. Mais les scientifiques estiment que sa surface grèle à la température d'un four, à environ 460 degrés Fahrenheit (225 degrés Celsius).

À quel point la Terre ressemble-t-elle à une super-Terre? Les caractéristiques qui contribuent à l’unicité de notre monde constituent un bon critère. Premièrement, la Terre orbite dans la zone habitable du Soleil. Bien que certaines super-Terre orbitent dans la zone habitable de leur propre étoile, des études ont montré que cela pourrait ne pas suffire pour créer des environnements semblables à la Terre. La tectonique des plaques est un autre attribut essentiel de notre monde d'origine, car elle recircule les minéraux qui se déversent dans les mers et recycle les éléments de l'atmosphère qui ont été enfermés chimiquement dans des roches.

Mais des modèles récents affirment que les super-Terres pourraient ne pas bénéficier des avantages de la tectonique des plaques. Premièrement, il faut le smorgasbord de minéraux approprié pour créer le motif de puzzle de plaques changeantes. Sur Terre, lorsqu'une plaque glisse sous une autre, la pression croissante réarrange les atomes en son sein, ce qui rend la roche plus dense. Sans cette modification, les plaques caleraient et cesseraient de glisser les unes contre les autres. Des planètes avec des croûtes différentiellement minéralogiques peuvent ne pas être en mesure de maintenir un tapis roulant de plaques.

Deuxièmement, la croûte d'une super-Terre peut être trop épaisse pour la tectonique. Des simulations de terres géantes révèlent que la plupart de ces mondes ont une croûte épaisse, constituant une barrière physique à la tectonique des plaques. Certains chercheurs suggèrent néanmoins que l'augmentation de la chaleur dans une super-Terre pourrait être suffisante pour piloter le processus.

Un champ magnétique est un autre facteur qui contribuerait à l'aspect terrestre d'une super-Terre. Le noyau en fusion en rotation de la Terre génère un champ qui nous protège des particules chargées énergétiques. Pour être semblable à la Terre, une super-Terre doit avoir un tel champ.

La Super-Earth Gliese 667Cc, vue ici depuis la surface d'une hypothétique lune proche, pourrait être une sous-Neptune, avec des nuages ​​nuageux plutôt que des panoramas rocheux. La planète est si proche de son hôte nain rouge qu’elle est probablement verrouillée, ce qui pourrait faire des ravages avec ses formations nuageuses en bandes.

Une enquête sur les super-terres

Sur les milliers d'exoplanètes connues, les astronomes ont découvert que seules quelques super-Terre possédant les bonnes caractéristiques pouvaient être potentiellement semblables à la Terre. Une des correspondances les plus proches semble être Kepler-452b.
Kepler-452b est la première planète de la taille de la Terre située dans la zone habitable d'une étoile semblable au Soleil, environ 1,5 fois plus grande que la Terre. Bien qu'elle se situe légèrement plus loin de son étoile (Kepler-452) que la Terre du soleil, son étoile brille légèrement plus brillante que la nôtre, de sorte que la planète reçoit un peu plus d'énergie que la Terre.

Autrement dit, si Kepler-452b a une surface solide. La taille de la planète oscille entre une super-terre rocheuse et un sous-Neptune gazeux. Les astronomes de l'Université de Columbia, Jingjing Chen et David Kipping, attribuent à la planète seulement 13% de chance d'être terrestre plutôt que gazeuse. Les modèles suggèrent que si Kepler-452b est rocheux, il a probablement une atmosphère plus épaisse que celle de la Terre et serait probablement actif sur le plan volcanique.

Kepler-452b met 385 jours pour orbiter son soleil, une année assez similaire à celle de la Terre. Mais tout peut ne pas être bien sur ce monde. Son étoile a 1,5 milliard d'années de plus que le Soleil et émet plus d'énergie qu'auparavant. La planète se trouvait autrefois au centre de la zone habitable, mais comme l'étoile parent vieillissante s'est réchauffée, sa zone habitable a migré vers l'extérieur, bloquant ainsi la planète sur le bord intérieur. Tous les océans qu’il avait auparavant s’évaporaient probablement dans une atmosphère épaisse.

Gliese 581 est une étoile naine rouge située à 20 années-lumière de la Terre. Jusqu'à cinq planètes peuvent graviter autour de cette étoile, et trois d'entre elles peuvent être des super-terres situées dans la zone habitable de l'étoile. Gliese 581c orbite près du bord intérieur de la zone. Il peut entourer un cercle suffisamment proche de l’étoile pour provoquer un effet de serre qui s’emballe comme celui de Vénus.

Les deux autres planètes - Gliese 581d et Gliese 581g - ressemblent peut-être davantage à la Terre, mais les astronomes ne sont même pas sûrs de leur existence. Les deux mondes ont été détectés par plusieurs équipes, mais d'autres chercheurs n'ont pas réussi à les confirmer. S'ils étaient réels, ils figureraient sur la liste restreinte de la plupart des planètes semblables à la Terre.

Des nuages ​​dans le ciel de Kepler-438b cachent son hôte nain rouge. La planète est suffisamment proche de son étoile active pour être exposée à des éruptions stellaires massives. S'il ne possède pas de champ magnétique, le Kepler-438b subit probablement des niveaux mortels de rayonnement.

Gliese 581g semble en orbite à seulement 0,13 unité astronomique (AU; 1 AU est la distance moyenne Terre-Soleil) de l'étoile. Mais comme le nain rouge est faible, la planète reçoit à peu près la même quantité d’énergie que la Terre reçoit du Soleil. Sa masse ne doit pas dépasser 2,2 Terre, ce qui la qualifie à peine pour le statut de super-Terre. La planète orbite assez près de son soleil pour pouvoir être verrouillée, en gardant toujours le même visage vers l'étoile. En fonction de sa composition atmosphérique et de sa surface, il peut s’agir d’un monde stérile, semblable à Vénus, ou riche en eau.

Si la pression atmosphérique est similaire à celle de la Terre, le globe pourrait être recouvert d'une épaisse couche de glace. Mais si l’air contient suffisamment de gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone, les températures pourraient être considérablement plus chaudes. Le monde enclavé pourrait développer un océan permanent sur l'hémisphère faisant face à l'étoile, où les températures seraient similaires à celles des tropiques de la Terre.

Gliese 581d semble être beaucoup plus lourd, avec peut-être jusqu'à 7 masses terrestres. La taille de cette prétendue planète a amené les astronomes à ajouter une nouvelle classe aux exoplanètes: la méga-Terre. Le monde tourne apparemment autour de son étoile avec une période de 67 jours, le plaçant près du bord extérieur de la zone habitable.

Le règne de gloire de Kepler

À une distance de 620 années-lumière, l'étoile semblable au Soleil Kepler-22 héberge Kepler-22b. La planète était le premier monde de zone habitable découvert par le vaisseau spatial Kepler.

Avec un diamètre d'environ 2,4 fois celui de la Terre, il a une densité similaire à celle de la roche, ce qui signifie qu'il peut être terrestre. Kepler-22b pourrait également avoir une atmosphère assez dense et, du fait de son orbite autour de la zone interne de la zone habitable de son étoile, le climat pourrait ressembler davantage à Vénus qu'à la Terre. Mais la rotation de la planète et la couverture nuageuse pourraient y modérer les conditions. Certains modèles récents indiquent une température de surface oscillant autour de 22 ° C (72 ° F).

Plus loin dans la galaxie, à une distance d'environ 1 200 années-lumière, Kepler-62 dispose de cinq planètes confirmées. Deux d'entre eux résident dans la zone habitable de l'étoile hôte naine orange. Les deux sont environ 1,5 fois plus grands que la Terre, ce qui les situe à la frontière entre la Terre et la super-Terre.

Des études indiquent que l'eau recouvre probablement Kepler-62e dans un océan global profond. Et bien que le frère Kepler-62f puisse aussi avoir une grande quantité d’eau, elle se trouve suffisamment loin dans la zone habitable pour que la surface puisse être gelée, au moins aux pôles. Ce dernier monde peut avoir une atmosphère plus dense que celle de la Terre, semblable peut-être à - mais plus froide que celle de Vénus.

Le système à trois étoiles Gliese 667 se situe à quelque 22 années-lumière de la Terre. Deux de ses membres sont des nains orange de type K légèrement plus froids que le Soleil, tandis que la troisième est un nain rouge encore plus froid. Les deux étoiles de type K gravitent autour l'une de l'autre; le nain rouge, Gliese 667C, les entoure tous les deux à une distance distante de 230 UA. Gliese 667C semble avoir au moins trois planètes à proximité de sa zone habitable.

Le plus intriguant est peut-être le Gliese 667Cc, qui a une masse inférieure à quatre fois celle de la Terre. Cette planète extraterrestre peut être une terre rocheuse, bien que certains chercheurs pensent que ce soit peut-être une sous-Neptune. Le monde tourne son soleil à une vitesse vertigineuse et achève un circuit en seulement 28 jours.

Mais parce que Gliese 667C est une naine rouge, le monde est suffisamment éloigné pour que de l’eau liquide puisse exister à sa surface. Gliese 667Cc collecte environ 90% de la lumière et de la chaleur que la Terre reçoit du Soleil. Et comme avec n'importe quelle grande planète dans une zone habitable, elle peut avoir des lunes avec des environnements assez semblables à la Terre.

L'une des planètes les plus semblables à la Terre jamais découvertes est un monde dont le rayon est 12% plus grand que le nôtre. Kepler-438b orbite dans la zone habitable d'un nain rouge et effectue un circuit tous les 35 jours. Si Kepler-438b est de nature terrestre, sa masse serait d'environ 1,4 fois celle de la Terre. Les températures de surface sur ce monde varieraient probablement de 0 à 60 ° C (32 à 140 ° F).

La planète souffre de l’inconvénient d’être en orbite assez proche de son étoile mère pour ressentir les retombées de toutes les éruptions stellaires qui sont si courantes chez les nains rouges. En fait, les observateurs ont vu Kepler-438 libérer des radiations et du plasma tous les cent jours. Mais si Kepler-438b a un champ magnétique puissant, sa surface pourrait tout de même être hospitalière.

Les astronomes ont découvert diverses exoplanètes dans la zone habitable de leur étoile hôte. Le champ semble mûr pour la découverte de mondes aux biomes florissants au-delà des nôtres. La recherche de formes de vie sur des terres de soleils lointains sera difficile, mais la détection d'un nouveau monde vivant changera à jamais notre vision de la biologie, du développement planétaire et de la fréquence de la vie dans l'univers.

Source: http://www.astronomy.com/
Lien: http://www.astronomy.com/magazine/2019/10/the-hunt-for-earths-bigger-cousins?utm_source=asyfb&utm_medium=social&utm_campaign=asyfb&fbclid=IwAR3Tz95WJ_Ih-tikB2Wby3mJfE4C1iICB2d0QtRBiS8xR3hZMckiWpk6Bek