La possibilité de la vie sur les planètes aquatiques

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 16:04

La plupart des planètes que nous connaissons sont plus grosses que la Terre, mais moins que Saturne. Le plus souvent, parmi eux, il y a des "mini-neptunes" et des "super-terres" - des objets deux fois plus massifs que notre planète. Les découvertes de ces dernières années donnent de plus en plus de raisons de croire que les super-Terres sont des planètes dont la composition est très différente de la nôtre. De plus, il s'est avéré que les planètes telluriques d'autres systèmes sont susceptibles de différer de la Terre en éléments et composés légers beaucoup plus riches, y compris l'eau. Et c'est une bonne raison de se demander dans quelle mesure ils sont en forme pour la vie.

Les différences susmentionnées entre l'ex-Terre et la Terre s'expliquent par le fait que les trois quarts de toutes les étoiles de l'Univers sont des naines rouges, des luminaires beaucoup moins massifs que le Soleil. Les observations montrent que les planètes qui les entourent se trouvent souvent dans la zone habitable, c'est-à-dire où elles reçoivent à peu près la même énergie de leur étoile que la Terre du Soleil. De plus, il y a souvent des planètes extrêmement nombreuses dans la zone habitable des naines rouges: dans la "ceinture Boucle d'or" de l'étoile TRAPPIST-1, par exemple, il y a trois planètes à la fois.

Et c'est très étrange. La zone habitable des naines rouges se situe à des millions de kilomètres de l'étoile, et non à 150-225 millions, comme dans le système solaire. Pendant ce temps, plusieurs planètes à la fois ne peuvent pas se former à des millions de kilomètres de leur étoile - la taille de son disque protoplanétaire ne le permettra pas. Oui, une naine rouge en a moins qu'une jaune, comme notre Soleil, mais pas cent ni même cinquante fois.

La situation est encore compliquée par le fait que les astronomes ont appris à "peser" plus ou moins précisément les planètes dans des étoiles lointaines. Et puis il s'est avéré que si nous rapportons leur masse et leur taille, il s'avère que la densité de telles planètes est deux, voire trois fois inférieure à celle de la Terre. Et c'est, en principe, impossible si ces planètes se sont formées à des millions de kilomètres de leur étoile. Parce qu'avec une disposition aussi rapprochée, le rayonnement du luminaire devrait littéralement pousser la majeure partie des éléments lumineux vers l'extérieur.

C'est exactement ce qui s'est passé dans le système solaire, par exemple. Regardons la Terre: elle s'est formée dans la zone habitable, mais l'eau dans sa masse ne dépasse pas le millième. Si la densité d'un certain nombre de mondes chez les naines rouges est deux à trois fois inférieure, alors l'eau y est pas moins de 10 pour cent, voire plus. C'est-à-dire cent fois plus que sur Terre. Par conséquent, ils se sont formés en dehors de la zone habitable et n'ont ensuite migré là-bas. Il est facile pour le rayonnement stellaire de priver les éléments lumineux des zones du disque protoplanétaire proches de l'astre. Mais il est beaucoup plus difficile de priver une planète toute faite qui a migré de la partie éloignée du disque protoplanétaire d'éléments légers - les couches inférieures y sont protégées par les couches supérieures. Et la perte d'eau est forcément assez lente. Une super-terre typique dans la zone habitable ne pourra pas perdre même la moitié de son eau, et pendant toute l'existence, par exemple, du système solaire.

Ainsi, les étoiles les plus massives de l'Univers ont souvent des planètes dans lesquelles il y a beaucoup d'eau. Ceci, très probablement, signifie qu'il y a beaucoup plus de telles planètes que la Terre. Par conséquent, il serait bon de déterminer si, dans de tels endroits, il existe une possibilité d'émergence et de développement d'une vie complexe.

Besoin de plus de minéraux

Et c'est là que les gros problèmes commencent. Il n'y a pas d'analogues proches des super-terres avec une grande quantité d'eau dans le système solaire, et en l'absence d'exemples disponibles pour l'observation, les planétologues n'ont littéralement rien pour commencer. Nous devons examiner le diagramme de phase de l'eau et déterminer quels seront les paramètres des différentes couches des planètes océaniques.

Diagramme de phase de l'état de l'eau. Les modifications de la glace sont indiquées par des chiffres romains. Presque toute la glace sur Terre appartient au groupe I_h, et une très petite fraction (dans la haute atmosphère) - à I_c… Image: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Il s'avère que s'il y a 540 fois plus d'eau sur une planète de la taille de la Terre qu'ici, alors elle sera entièrement recouverte par un océan de plus d'une centaine de kilomètres de profondeur. Au fond de tels océans, la pression sera si grande que la glace d'une telle phase commencera à s'y former, qui reste solide même à des températures très élevées, puisque l'eau est maintenue solide par l'énorme pression.

Si le fond de l'océan planétaire est recouvert d'une épaisse couche de glace, l'eau liquide sera privée de contact avec les roches silicatées solides. Sans un tel contact, les minéraux qu'il contient n'auront, en fait, aucune origine. Pire, le cycle du carbone sera perturbé.

Commençons par les minéraux. Sans phosphore, la vie - sous les formes que nous connaissons - ne peut exister, car sans lui, il n'y a pas de nucléotides et, par conséquent, pas d'ADN. Ce sera difficile sans calcium - par exemple, nos os sont composés d'hydroxylapatite, qui ne peut se passer de phosphore et de calcium. Des problèmes de disponibilité de certains éléments surviennent parfois sur Terre. Par exemple, en Australie et en Amérique du Nord dans un certain nombre de localités il y a eu une absence anormalement longue d'activité volcanique et dans les sols à certains endroits il y a un grave manque de sélénium (il fait partie de l'un des acides aminés, nécessaire à la vie). De ce fait, les vaches, les moutons et les chèvres sont carencés en sélénium, ce qui entraîne parfois la mort du bétail (l'ajout de sélénite à l'alimentation du bétail aux États-Unis et au Canada est même réglementé par la loi).

Certains chercheurs suggèrent que le seul facteur de la disponibilité des minéraux devrait faire des océans-planètes de véritables déserts biologiques, où la vie, si elle existe, est extrêmement rare. Et nous ne parlons tout simplement pas de formes vraiment complexes.

Climatiseur cassé

En plus des carences minérales, les théoriciens ont découvert un deuxième problème potentiel des planètes-océans - peut-être encore plus important que le premier. On parle de dysfonctionnements dans le cycle du carbone. Sur notre planète, il est la principale raison de l'existence d'un climat relativement stable. Le principe du cycle du carbone est simple: lorsque la planète devient trop froide, l'absorption de dioxyde de carbone par les roches ralentit fortement (le processus d'une telle absorption ne se déroule rapidement que dans un environnement chaud). Dans le même temps, les « approvisionnements » en dioxyde de carbone avec les éruptions volcaniques vont au même rythme. Lorsque la liaison gazeuse diminue et que l'alimentation ne diminue pas, la concentration en CO₂ augmente naturellement. Les planètes, comme vous le savez, sont dans le vide de l'espace interplanétaire, et le seul moyen significatif de perte de chaleur pour elles est son rayonnement sous forme d'ondes infrarouges. Le dioxyde de carbone absorbe ce rayonnement de la surface de la planète, c'est pourquoi l'atmosphère est légèrement réchauffée. Cela évapore la vapeur d'eau de la surface de l'eau des océans, qui absorbe également le rayonnement infrarouge (un autre gaz à effet de serre). De ce fait, c'est le CO₂ qui agit comme principal initiateur dans le processus de réchauffement de la planète.

C'est ce mécanisme qui conduit au fait que les glaciers sur Terre se terminent tôt ou tard. Il ne lui permet pas non plus de surchauffer: à des températures excessivement élevées, le dioxyde de carbone est plus rapidement lié aux roches, après quoi, en raison de la tectonique des plaques de la croûte terrestre, elles s'enfoncent progressivement dans le manteau. Niveau de CO₂tombe et le climat devient plus frais.

L'importance de ce mécanisme pour notre planète ne peut guère être surestimée. Imaginez un instant la panne d'un climatiseur au carbone: disons que les volcans ont cessé d'entrer en éruption et ne délivrent plus de dioxyde de carbone des entrailles de la Terre, qui y sont autrefois descendues avec d'anciennes plaques continentales. La toute première glaciation deviendra littéralement éternelle, car plus il y a de glace sur la planète, plus elle réfléchit le rayonnement solaire dans l'espace. Et une nouvelle portion de CO₂ ne pourra pas dégeler la planète: elle n'aura nulle part où venir.

C'est exactement comme cela, en théorie, que cela devrait être sur les planètes-océans. Même si l'activité volcanique peut parfois percer la coquille de glace exotique au fond de l'océan planétaire, cela n'a pas grand-chose de bon. En effet, à la surface du monde marin, il n'y a tout simplement pas de roches qui pourraient lier l'excès de dioxyde de carbone. C'est-à-dire que son accumulation incontrôlée peut commencer et, par conséquent, la surchauffe de la planète.

Quelque chose de similaire - vrai, sans aucun océan planétaire - s'est produit sur Vénus. Il n'y a pas non plus de tectonique des plaques sur cette planète, bien que l'on ne sache pas vraiment pourquoi cela s'est produit. Par conséquent, les éruptions volcaniques là-bas, traversant parfois la croûte, ont mis beaucoup de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, mais la surface ne peut pas le lier: les plaques continentales ne s'enfoncent pas et de nouvelles ne se soulèvent pas. Par conséquent, la surface des dalles existantes a déjà lié tout le CO₂, qui pourrait et ne peut pas absorber plus, et il fait si chaud sur Vénus que le plomb y restera toujours liquide. Et ce malgré le fait que, selon la modélisation, avec l'atmosphère terrestre et le cycle du carbone, cette planète serait une jumelle habitable de la Terre.

Y a-t-il une vie sans climatisation ?

Les détracteurs du « chauvinisme terrestre » (la position selon laquelle la vie n'est possible que sur des « copies de la Terre », des planètes aux conditions strictement terrestres) ont immédiatement posé la question: pourquoi, en fait, tout le monde a décidé que les minéraux ne seraient pas capables de percer un couche de glace exotique ? Plus le couvercle est solide et impénétrable sur quelque chose de chaud, plus l'énergie s'accumule en dessous, ce qui a tendance à éclater. Voici la même Vénus - la tectonique des plaques ne semble pas exister, et le dioxyde de carbone s'est échappé des profondeurs en quantités telles qu'il n'y a pas de vie au sens littéral du terme. Par conséquent, la même chose est possible avec l'élimination des minéraux vers le haut - les roches solides pendant les éruptions volcaniques tombent complètement vers le haut.

Même ainsi, un autre problème persiste - le « climatiseur en panne » du cycle du carbone. Une planète océan peut-elle être habitable sans elle ?

Il existe de nombreux corps dans le système solaire sur lesquels le dioxyde de carbone ne joue pas du tout le rôle de régulateur principal du climat. Voici, disons, Titan, une grosse lune de Saturne.

Titane. Photo: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Université de Nantes, Virginia Pasek, Université d'Arizona

Le corps est négligeable par rapport à la masse de la Terre. Cependant, il s'est formé loin du Soleil, et le rayonnement de l'astre n'en a pas "évaporé" les éléments légers, dont l'azote. Cela donne à Titan une atmosphère d'azote presque pur, le même gaz qui domine notre planète. Mais la densité de son atmosphère d'azote est quatre fois supérieure à la nôtre - avec la gravité, elle est sept fois plus faible.

Au premier coup d'œil sur le climat de Titan, on a le sentiment constant qu'il est extrêmement stable, bien qu'il n'y ait pas de climatiseur « au carbone » sous sa forme directe. Qu'il suffise de dire que la différence de température entre le pôle et l'équateur de Titan n'est que de trois degrés. Si la situation était la même sur Terre, la planète serait beaucoup plus uniformément peuplée et généralement plus propice à la vie.

De plus, les calculs de plusieurs groupes scientifiques l'ont montré: avec une densité atmosphérique cinq fois supérieure à celle de la Terre, c'est-à-dire un quart supérieure à celle de Titan, même l'effet de serre de l'azote seul suffit amplement à faire baisser les fluctuations de température. à presque zéro. Sur une telle planète, de jour comme de nuit, tant à l'équateur qu'au pôle, la température serait toujours la même. La vie terrestre ne peut que rêver d'une telle chose.

Les planètes-océans en termes de densité se situent juste au niveau de Titan (1, 88 g/cm), et non de la Terre (5, 51 g/cm). Disons que trois planètes de la zone habitable TRAPPIST-1 à 40 années-lumière de nous ont une densité de 1,71 à 2,18 g/cm³. En d'autres termes, très probablement, ces planètes ont une densité d'atmosphère d'azote plus que suffisante pour avoir un climat stable dû à l'azote seul. Le dioxyde de carbone ne peut pas les transformer en Vénus brûlante, car une très grande masse d'eau peut lier beaucoup de dioxyde de carbone même sans aucune tectonique des plaques (le dioxyde de carbone est absorbé par l'eau, et plus la pression est élevée, plus elle peut le contenir).

Les déserts des grands fonds

Avec d'hypothétiques bactéries extraterrestres et archées, tout semble simple: elles peuvent vivre dans des conditions très difficiles et pour cela elles n'ont pas du tout besoin d'une abondance de nombreux éléments chimiques. C'est plus difficile avec les plantes et une vie très organisée vivant à leurs dépens.

Ainsi, les planètes océaniques peuvent avoir un climat stable - très probablement plus stable que celui de la Terre. Il est également possible qu'il y ait une quantité notable de minéraux dissous dans l'eau. Et pourtant, la vie là-bas n'est pas du tout le Mardi gras.

Regardons la Terre. À l'exception des derniers millions d'années, sa terre est extrêmement verte, presque dépourvue de taches brunes ou jaunes de déserts. Mais l'océan n'a pas du tout l'air vert, à l'exception de certaines zones côtières étroites. Pourquoi donc?

Le fait est que sur notre planète, l'océan est un désert biologique. La vie a besoin de dioxyde de carbone: elle « construit » de la biomasse végétale et c'est uniquement à partir de celle-ci que la biomasse animale peut être nourrie. S'il y a du CO dans l'air autour de nous₂ plus de 400 ppm tel qu'il est actuellement, la végétation est en train de fleurir. S'il était inférieur à 150 parties par million, tous les arbres mourraient (et cela pourrait arriver dans un milliard d'années). Avec moins de 10 parties de CO₂ par million, toutes les plantes mourraient en général, et avec elles toutes les formes de vie vraiment complexes.

À première vue, cela devrait signifier que la mer est une véritable étendue de vie. En effet, les océans de la Terre contiennent cent fois plus de dioxyde de carbone que l'atmosphère. Par conséquent, il devrait y avoir beaucoup de matériaux de construction pour les plantes.

En fait, rien n'est plus éloigné de la vérité. L'eau dans les océans de la Terre est de 1,35 quintillion (milliard de milliards) de tonnes, et l'atmosphère est d'un peu plus de cinq quadrillions (millions de milliards) de tonnes. C'est-à-dire qu'il y a sensiblement moins de CO dans une tonne d'eau.₂qu'une tonne d'air. Les plantes aquatiques dans les océans de la Terre ont presque toujours beaucoup moins de CO₂ à leur disposition que les terrestres.

Pour aggraver les choses, les plantes aquatiques n'ont un bon métabolisme que dans l'eau chaude. À savoir, dans celui-ci, CO₂ surtout parce que sa solubilité dans l'eau diminue avec l'augmentation des températures. Par conséquent, les algues - en comparaison avec les plantes terrestres - existent dans des conditions de carence colossale constante en CO.₂.

C'est pourquoi les tentatives des scientifiques pour calculer la biomasse des organismes terrestres montrent que la mer, qui occupe les deux tiers de la planète, apporte une contribution insignifiante à la biomasse totale. Si nous prenons la masse totale de carbone - le matériau clé dans la masse sèche de tout être vivant - les habitants de la terre, alors elle est égale à 544 milliards de tonnes. Et dans le corps des habitants des mers et des océans - seulement six milliards de tonnes, des miettes de la table du maître, un peu plus d'un pour cent.

Tout cela peut amener à penser que bien que la vie sur les planètes-océans soit possible, elle sera très, très disgracieuse. La biomasse de la Terre, si elle était recouverte par un seul océan, toutes choses égales par ailleurs, ne serait, en termes de carbone sec, que de 10 milliards de tonnes, soit cinquante fois moins qu'elle ne l'est actuellement.

Cependant, même ici, il est trop tôt pour mettre fin aux mondes aquatiques. Le fait est que déjà à une pression de deux atmosphères, la quantité de CO₂, qui peut se dissoudre dans l'eau de mer, fait plus que doubler (pour une température de 25 degrés). Avec des atmosphères quatre à cinq fois plus denses que celles de la Terre - et c'est exactement ce à quoi vous vous attendriez sur des planètes comme TRAPPIST-1e, g et f - il peut y avoir tellement de dioxyde de carbone dans l'eau que l'eau des océans locaux commencera à s'approcher l'air de la Terre. Autrement dit, les plantes aquatiques des planètes et des océans se retrouvent dans de bien meilleures conditions que sur notre planète. Et là où il y a plus de biomasse verte, et où les animaux ont une meilleure base alimentaire. Autrement dit, contrairement à la Terre, les mers des planètes-océans ne sont peut-être pas des déserts, mais des oasis de vie.

planètes Sargasses

Mais que faire si la planète océan, à cause d'un malentendu, a toujours la densité atmosphérique de la Terre ? Et tout n'est pas si mal ici. Sur Terre, les algues ont tendance à se fixer au fond, mais là où il n'y a pas de conditions pour cela, il s'avère que les plantes aquatiques peuvent nager.

Certaines algues sargasses utilisent des sacs remplis d'air (ils ressemblent à des raisins, d'où le mot portugais "sargasse" dans le nom de la mer des Sargasses) pour fournir de la flottabilité, et en théorie cela vous permet de prendre du CO₂ de l'air, et non de l'eau, où il est rare. En raison de leur flottabilité, il leur est plus facile de faire la photosynthèse. Certes, ces algues ne se reproduisent bien qu'à des températures de l'eau assez élevées et, par conséquent, sur Terre, elles ne sont relativement bonnes que dans certains endroits, comme la mer des Sargasses, où l'eau est très chaude. Si la planète océan est suffisamment chaude, alors même la densité atmosphérique de la Terre n'est pas un obstacle insurmontable pour les plantes marines. Ils pourraient bien prendre du CO₂ de l'atmosphère, évitant les problèmes de faible teneur en dioxyde de carbone dans l'eau chaude.

Algues sargasses. Photo: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Fait intéressant, les algues flottantes dans la même mer des Sargasses donnent naissance à tout un écosystème flottant, quelque chose comme une "terre flottante". Des crabes y vivent, pour lesquels la flottabilité des algues suffit à se déplacer à leur surface comme s'il s'agissait de terre. Théoriquement, dans les zones calmes de la planète océan, des groupes flottants de plantes marines peuvent développer une vie assez "terrestre", bien que vous n'y trouviez pas la terre elle-même.

Vérifie ton privilège, terrien

Le problème de l'identification des endroits les plus prometteurs pour la recherche de la vie est que jusqu'à présent nous avons peu de données qui nous permettraient de distinguer les porteurs de vie les plus probables parmi les planètes candidates. En soi, le concept de "zone habitable" n'est pas ici le meilleur assistant. Dans ce document, ces planètes sont considérées comme propices à la vie qui reçoivent de leur étoile une quantité d'énergie suffisante pour soutenir des réservoirs de liquide au moins sur une partie de leur surface. Dans le système solaire, Mars et la Terre se trouvent dans la zone habitable, mais au premier abord, la vie complexe à la surface est en quelque sorte imperceptible.

Principalement parce que ce n'est pas le même monde que la Terre, avec une atmosphère et une hydrosphère fondamentalement différentes. Une représentation linéaire dans le style "la planète-océan est la Terre, mais seulement recouverte d'eau" peut nous conduire à la même illusion qui existait au début du 20e siècle sur l'aptitude de Mars à la vie. Les vrais océanides peuvent différer fortement de notre planète - ils ont une atmosphère complètement différente, des mécanismes de stabilisation du climat différents et même des mécanismes différents pour fournir du dioxyde de carbone aux plantes marines.

Une compréhension détaillée du fonctionnement réel des mondes aquatiques nous permet de comprendre à l'avance quelle sera la zone habitable pour eux, et ainsi d'approcher rapidement des observations détaillées de ces planètes dans James Webb et d'autres grands télescopes prometteurs.

En résumé, force est d'admettre que, jusqu'à très récemment, nos idées sur les mondes réellement habités et ceux qui ne le sont pas souffraient trop d'anthropocentrisme et de géocentrisme. Et, comme il s'avère maintenant, du "sushcentrisme" - l'opinion selon laquelle si nous sommes nous-mêmes nés sur terre, alors c'est l'endroit le plus important dans le développement de la vie, et pas seulement sur notre planète, mais aussi dans d'autres soleils. Peut-être que les observations des années à venir ne laisseront rien au hasard de ce point de vue.