Le permafrost (ou pergélisol), qui constitue 20 % de la surface terrestre globale, est une portion gelée de la Terre. Mais durant l'été, la partie supérieure du permafrost, dénommée “couche active”, décongèle et libère ainsi microorganismes, plantes et… de nombreux gaz à effet de serre (GES). La plupart des émissions de ces gaz ont déjà été prises en compte dans le calcul du “budget carbone” (qu'il nous reste à émettre pour éviter une augmentation de la température globale de 1,5° C). Mais une équipe internationale de chercheurs de l'Inrae (Institut national de recherche pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement), de l'Université de Stockholm et du CIRC de l'Université d'Umeå (Climate Impacts Research Center, pour centre de recherche sur les impacts climatiques) en Suède a pu déterminer que les racines des plantes, via leurs interactions avec les sols et microorganismes de la couche active, étaient responsables d'émissions de gaz à effet de serre dans des quantités non négligeables.

“Effet priming” : un phénomène connu mais dont les conséquences n’avaient jamais été évaluées

A l'été, lorsque les sols de la couche active du permafrost dégèlent, des espèces végétales en tout genre (toundra, forêts boréales, etc. selon la région) peuvent alors y croître. Au sein de la rhizosphère qui se réveille alors (celle-ci définit la zone de croissance des racines d'un végétal, comprenant le sol et les organismes et nutriments qui le composent), des interactions se réinstallent entre microorganismes terrestres et racines. En effet, ces dernières vont servir de véritable vecteurs à la croissance des organismes voisins. En respirant, les microorganismes vont par la suite libérer des gaz à effet de serre. C'est l'”effet priming”, connu des scientifiques depuis bien longtemps. Mais son impact sur le taux de GES dans l'atmosphère était inconnu, avant cette étude publiée dans Nature Geoscience.

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L'"effet priming" "est étudié depuis les années 1950", explique sur le blog du CIRC Birgit Wild, professeur à l'Université de Stockholm et co-première auteure de la publication avec Frida Keuper, de l'Inrae. “C'est facile à démontrer en laboratoire, sans problèmes. Mais c'est très difficile à grande échelle ; dans un environnement naturel. Nous étions toutes deux ennuyées d'écrire des publications qui auraient prétendu que [l'impact de "l'effet priming" sur le changement climatique] était si important sans avoir aucune idée de si c'était vrai ou non.” C'est dans ce contexte que les deux chercheuses ont lancé la première étude évaluant l'impact global de l'"effet priming" sur le réchauffement climatique, de 2010 à 2100.

Schéma recueilli dans le communiqué de presse de l'Inrae. Crédits : INProduktie, Amsterdam

Une modélisation des populations végétales et activités de la couche active

“Nous avons créé un modèle [appelé PrimeSCale] qui intègre les activités des racines des plantes et des microbes avec les propriétés physico-chimiques du sol”, explique à Sciences et Avenir Frida Keuper, chargée de recherches à l'Inrae. Ce modèle s'appuie sur deux méta-analyses. La première permettant de modéliser la relation entre "effet priming" et activité des plantes et la seconde montrant la distribution des racines dans les sols du permafrost. “Nous avons combiné ces relations issues des méta-analyses avec des bases de données [...] sur le stockage du carbone organique du sol, la composition de la matière organique du sol, l'activité photosynthétique des plantes, l'épaisseur de la couche active, les taux de respiration microbienne et le type de végétation, dans la zone de pergélisol du nord circumpolaire”, détaille pour Sciences et Avenir le Dr Keuper. PrimeSCale permet alors une estimation de la magnitude de l'"effet priming" rhizosphérique du permafrost arctique. 

Les résultats ont étonné les deux chercheuses. “Quand j’ai organisé l’étude, je pensais que les chiffres seraient marginaux. Je me suis dis, nous devons savoir approximativement si c’est important ou non, et j’avais une forte intuition que [les résultats] ne seraient pas importants”, explique Frida Keuper au CIRC. “J’ai pensé, puisque les racines des plantes n’atteignent que la couche supérieure du sol, et que leur période de croissance est courte, [les conséquences] ne seraient pas importantes, mais j’ai été totalement surprise.” Les résultats obtenus montrent en effet que l’"effet priming" seul induirait l’émission de 40 Gigatonnes de GES depuis le permafrost d’ici 2100, en plus des 57 Gigatonnes déjà “prévues” par d’autres études. A titre de comparaison, pour limiter l’augmentation des températures mondiales de 1,5° C, les études ayant menées au “budget carbone” limitaient à 200 gigatonnes les émissions en carbone.

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On pourrait croire qu'il s'agit une fois de plus de l'œil de Sauron en pleine régénération. Mais la réalité derrière cette image, comme la puissance mystique qu'elle renferme, est peut-être plus fantastique encore que la figure la plus ténébreuse de l'œuvre de J.R.R. Tolkien. Ce que nous voyons sur ce cliché n'est autre que la toute première image d'une étoile semblable au Soleil accompagnée de ses exoplanètes, ici au nombre de deux. Jusqu'ici, seuls deux systèmes comprenant plus d'une planète avaient été observés directement, mais ces derniers étaient articulés autour d'étoiles nettement différentes de notre Soleil. 

SPHERE, un instrument hors pair

On doit cet exceptionnel cliché au Very Large Telescope (VLT) de l'Observatoire européen austral (ESO), situé dans le désert chilien d'Atacama. Plus précisément, à son instrument SPHERE, qui équipe l'un des quatre télescopes du VLT et utilise différentes techniques pour améliorer le contraste des images de systèmes d'étoiles. La lumière trop intense des étoiles empêche en effet de distinguer les éventuelles planètes qui gravitent autour d'elles. Aussi faut-il trouver des parades pour pouvoir l'occulter.

SPHERE s'appuie sur de l'optique adaptative poussée à l'extrême, qui permet de gommer les distorsions produites par l'atmosphère terrestre. Est également employé un dispositif appelé coronographe, qui masque le trop plein de lumière de l'étoile observée, ou encore un système d'imagerie différentielle pour exploiter les différences de couleur ou de polarisation de la lumière d'une étoile et d'une planète. Il y a quelques semaines à peine, SPHERE nous avait régalés d'une époustouflante image de la naissance d'une planète au sein d'un disque de poussières entourant une jeune étoile.

Ici la jeune étoile et ses deux exoplanètes. Les cercles lumineux et sombre visibles autour de l'étoile sont en réalité des effets d'optique occasionnés par l'instrument. Crédits : ESO/Bohn et al.

Un "Soleil" dans ses très jeunes années

Mais revenons-en à notre étoile. Connue sous le nom quelque peu barbare de TYC 8998-760-1, celle-ci est située à environ 300 années-lumière de la Terre. C'est en l'analysant au cours d'une étude précédente, publiée en décembre 2019, que l'équipe composée de 12 chercheurs a constaté que sa masse s'approchait de celle de notre Soleil. "Parmi toutes les étoiles qui fusionnent continuellement de l'hydrogène à l'hélium – la phase la plus longue de la vie d'une étoile –, environ 5 à 10 % seulement ont un type spectral, c'est-à-dire une température, compatible avec notre Soleil. La majorité des étoiles – plus de 80 % – sont en fait moins massives que notre Soleil", explique à Sciences et Avenir Alexander Bohn, doctorant à l'Université de Leiden, aux Pays-Bas, et auteur principal de l'étude publiée mercredi 22 juillet dans The Astrophysical Journal Letters.

TYC 8998-760-1 est toutefois beaucoup plus jeune : âgée de 17 millions d'années, elle fait figure de bambin face aux 4,6 milliards d'années déjà vécues par notre étoile qui, pour filer la métaphore, est une belle quadragénaire. TYC 8998-760-1 en est donc à un stade très précoce de son évolution, ce que lui confère un immense intérêt. "Les conditions physiques initiales pourraient être très similaires à celles de notre système solaire lorsqu'il venait de naître", assure Alexander Bohn.

Les points lumineux visibles sur l'image, à l'exception des deux planètes pointées par des flèches, sont d'autres étoiles présentes en arrière-plan. Crédits : ESO/Bohn et al.

Grande distance

Nous ignorons encore comment les planètes se forment à cette grande distance de l'étoile. Actuellement, deux scénarios possibles cohabitent : les planètes se sont formées in situ, autrement dit à leur emplacement actuel, en suivant des processus de fragmentation dans le nuage proto-stellaire en effondrement.

Elles pourraient aussi être nées à des distances plus proches de l'étoile, dans le disque proto-planétaire de cette dernière, pendant les dix premiers millions d'années de sa vie, et ce par accrétion du noyau. "De petits planétésimaux se seraient regroupés et auraient formé des noyaux protoplanétaires. Lorsqu'une certaine masse aurait été atteinte, ce noyau serait devenu suffisamment grand pour accumuler le gaz du disque circumstellaire (disque de matière tournant autour d'une étoile, ndlr) dans son atmosphère. C'est le scénario de formation privilégié pour les plus grandes planètes de notre propre Système solaire", complète le planétologue. Cette formation à proche distance peut également être due à une instabilité gravitationnelle : "Dans ce scénario, des parties du disque circumstellaire seraient devenues instables et se seraient rapidement effondrées sous l'effet de leur propre gravité en noyaux protoplanétaires, accumulant ainsi encore plus de gaz dans leur atmosphère."

Une animation montrant deux images prises à un an d'intervalle. Crédits : ESO/Bohn et al.

Mais quel que soit le scénario, pour expliquer le fait que des planètes se trouvent sur des orbites si lointaines, une migration vers l'extérieur a forcément eu lieu à un moment ou un autre. Par quel mécanisme ? C'est ce que l'équipe va désormais chercher à comprendre.

Des sœurs cachées ?

Rien ne permet non plus d'exclure que TYC 8998-760-1 ait plus de deux exoplanètes dansant à ses côtés, y compris des planètes rocheuses. "Mais deux choses nous limitent ici : la résolution angulaire du télescope et de l'instrument, et la sensibilité de nos observations. Nous pourrions manquer des planètes situées à des distances plus petites de l'étoile", admet Alexander Bohn. Seul un plus grand télescope permettrait à l'équipe de les détecter si elles existaient. Grâce à son miroir de 39 mètres (contre huit mètres pour celui du VLT), l'Extremely Large Télescope (ELT), avec son instrument METIS (dont la mise en service est prévue pour 2024), pourra de son côté y repérer des planètes ayant des masses équivalentes à celles de Neptune ou de Saturne. Mais il "ne sera certainement pas assez sensible pour détecter des planètes rocheuses. [Leur lumière] serait trop faible."

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Même masqué, on le reconnaît. C'est par une photo postée sur Twitter que Thomas Pesquet a annoncé qu'il doit, dès 2021, retourner dans l'espace (et la station spatiale internationale) en voyageant sur la Crew Dragon de SpaceX. Cette capsule est le nouveau taxi spatial privé capable de convoyer des astronautes au-dessus de la planète Bleue. Son premier voyage date du 30 mai 2020 : parti du centre spatial Kennedy en Floride, lancé par la fusée commerciale Falcon 9 de SpaceX, le véhicule Crew Dragon a permis aux Américains Bob Behnken et Doug Hurley de rejoindre, un jour plus tard, l'ISS. Depuis juillet 2011, date de la mise à la retraite des navettes spatiales américaines, c'était la première fois qu'on assistait à un départ embarquant des humains depuis le sol des Etats-Unis.

Avec Crew Dragon, la fin de la dépendance envers le Soyouz russe

Le succès de Crew Dragon a mis un terme à 9 années de dépendance envers les Russes et leur Soyouz. Cette capsule avaient jusque-là le monopole de la desserte de l'ISS pour les astronautes, et c'est bien sur ce véhicule que Pesquet avait fait son vol d'il y a quatre ans.

Thomas Pesquet doit partir au printemps 2021

C'est en effet entre novembre 2016 et juin 2017 que l'astronaute français de l'Agence spatiale européenne (ESA) a séjourné 6 mois dans l'espace. Et c'est au printemps 2021 que l'ingénieur et pilote de ligne doit repartir, avec un décollage depuis Cap Canaveral en Floride. Ce qui lui laisse moins d'un an pour se familiariser avec l'environnement "tout tactile" qu'Elon Musk, patron de SpaceX et orfèvre en communication, a voulu pour ses engins spatiaux.

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