Planètes habitables: le cas de Kepler-186f

Ceci est la traduction d’un article écrit par Andrew LePage, physicien, paru le 20 avril 2014 sur son blog Drew Ex Machina sur lequel il s’exprime au sujet de ses travaux passés et futurs dans les domaines de la télédétection, de l’astronautique, de l’astronomie et de l’astrobiologie. L’article original se trouve à cette adresse. Nous remercions Andrew pour ce partage.\n\nLe cas de cette planète a déjà été traité ici et ici lors de sa découverte.\n

\nL’annonce de la découverte d’une planète de la taille de la Terre orbitant dans la zone habitable d’une lointaine naine rouge appelée Kepler-186 a provoqué un important engouement de l’internet et de la presse. Pardonnez moi, mais je suis toujours sceptique lors de la découverte d’une prétendue planète dans la zone habitable (ou si elle est trop grosse, on parlera de ses potentielles lunes). Avec l’avalanche de découvertes de la mission Kepler de la NASA, ces annonces sont devenues monnaie courante. Bien trop souvent lorsque je creuse un peu, je découvre que les scientifiques ont pris des libertés sur la notion d’habitabilité et la presse (surtout non scientifique) a tendance à gonfler les déclarations trompeuses quoi que réservées des scientifiques. Les savants veulent être retenus comme les premiers à avoir détectés une planète habitable et les journalistes à être les premiers à l’avoir rapporté.\n\nCela n’a rien de nouveau et remonte à la découverte des premières planètes extrasolaires il y a 20 ans. En janvier 1996 j’avais participé à une conférence de SETI à San Jose, en Californie. Durant la session où j’ai présenté mon papier, le célèbre chasseur de planètes Geoff Marcy a présenté la confirmation par son équipe de 51 Pegasi b (la première exoplanète découverte autour d’une étoile de type solaire, détectée moins de quatre mois plus tôt), ainsi que la découverte de leurs deux premières planètes: 47 Ursae Majoris b et 70 Virginis b. Durant sa présentation il a répété que bien que 70 Vir b soit une géante gazeuse et ne pouvait être habitable, les lunes qu’elle pourrait avoir auraient une température de 85°C, rendant possible la présence d’eau liquide à leur surface. Bien que ces deux affirmations sont correctes, la deuxième est trompeuse et la presse a joyeusement répété que l’eau, et donc la vie, pouvaient exister sur 70 Vir b.\n\nPour moi c’était une déclaration intellectuellement malhonnête et une tentative inutile de gonfler l’importance d’une découverte déjà remarquable. Il est exact qu’une lune orbitant 70 Vir b aurait une température de 85°C, mais seulement si c’est un astre sans air, un corps noir parfait à 85°C. Rajoutez à cela une atmosphère, dont n’importe quelle planète ou lune a besoin pour être habitable, et un effet de serre amené par le CO2, la vapeur d’eau et d’autres gaz et vous obtiendrez un enfer rivalisant avec notre Vénus. Juste pour illustrer l’absurdité de la déclaration, Vénus reçoit une insolation (i.e. quantité de lumière reçue du Soleil, Seff, celle de la Terre étant de 1) de 1.9 tandis que 70 Vir b reçoit un Seff de 13!!! Il est tout simplement irréaliste d’imagine qu’une quelconque lune de cette planète puisse avoir de l’eau liquide quelque part à sa surface.\n\nBien sur, plus tard dans la même session (avec Geoff Marcy dans l’assistance) j’ai fait ma présentation incluant une discussion sur l’habitabilité potentielle des premières planètes extrasolaires. Dont celles de Marcy et son équipe. Dans ma présentation j’ai insisté que, d’après les modèles d’habitabilité les plus récents, toute lune de 70 Vir b subirait un emballement de l’effet de serre jusqu’à devenir plus chaude que Vénus, et tout aussi sèche. L’affirmation de Marcy était trompeuse et aucun chercheur sérieux du domaine aujourd’hui ne se hasarderais à l’imiter. L’ironie a voulu que l’autre planète découverte par la même équipe, 47 UMa b dont Marcy a calculé la température à -90°C, était à la limite externe de la zone habitable définie par les modèles de l’époque et c’est ce qui m’a poussé à faire des recherches sur l’habitabilité des lunes.\n\n

Diagramme montrant la localisation de certaines exoplanètes connues par rapports aux différentes définitions de la zone habitable en fonction de l’insolation et de la température de leur étoile. La taille des icônes des planètes est proportionnelle à leur masse, mesurée ou déduite. Kepler-186 f est mise en évidence dans le coin en bas à droite. cliquez sur l’image pour l’agrandir. NASA.
\n\nCes dernières années j’ai vu la même situation se répéter régulièrement. Les scientifiques n’hésitent pas à étirer les limites de la zone habitable bien plus loin que ce que les meilleurs modèles peuvent autoriser (notamment la limite intérieure, jusqu’à pratiquement inclure Vénus) pour justifier leur annonce. Il y a également des situations où une super-Terre ou d’autre planètes ridiculement grosses sont annoncées comme potentiellement habitables parce qu’elles orbitent dans la zone habitable de leur étoile. La presse adore, mais moi je n’achètes pas. Ces annonces sont devenues si courantes que j’ai juste finit par les ignorer… Jusqu’à celle concernant Kepler-186 f.\n\n \n

Potentiel d’habitabilité

\nAlors, pourquoi est-ce que l’annonce à propos de Kepler-186 f est intéressante? D’après le papier publié dans Science annonçant la découverte, Kepler-186 f est la cinquième planète trouvée autour de Kepler-186. Cette étoile a un type spectral M1V avec un rayon de 0.47RS, et 4.1% de la luminosité de notre étoile. Elle se trouve à 493±59 années lumière de nous dans la constellation du Cygne. La découverte des quatre premières planètes (toutes de la taille de la Terre) a été annoncée plus tôt dans l’année en se basant sur l’analyse des données des deux premières années de Kepler. Une année de mesures supplémentaires a été nécessaire pour trouver la dernière sur son orbite plus large. En se basant sur les mesures du télescope, Kepler-186 f a un rayon de 1.11±0.14 RT et une période orbitale (année) de 129.9 jours.\n\nLe recul orbital provoqué par ces planètes est trop tenu pour être mesuré avec les spectrographes actuels, leurs masses restent donc inconnues (et de ce fait, leur composition). Kepler-186 f pourrait avoir une masse de 0.32MT si elle est composée d’eau ou bien une masse aussi grande que 3.77MT si elle est composée de fer. Il est probable que ce soit quelque part entre les deux, par exemple 1.44MT si sa composition est proche de celle de la Terre. L’analyse des propriétés des planètes découvertes par Kepler semble indiquer que la transition entre les planètes telluriques et gazeuses a lieu vers 1.5MT, Kepler-186 f et ses sœurs ont toutes leurs chances de ne pas être gazeuses. En terme de taille Kepler-186 f semble donc être une planète tellurique et non une mini-neptune.\n\n

Diagramme comparant à la même échelle les planètes de Kepler-186 avec le système solaire. La zone verte autour de chaque étoile est la zone habitable. L’insert compare la taille de la Terre et de Kepler-186 f (dont l’apparence réelle est inconnue). cliquez sur l’image pour l’agrandis. (NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech)
\n\nLes quatre premières planètes du système de Kepler-186 reçoivent des insolations, Seff, plus élevées que Vénus, trop élevées pour les considérer habitables. En se basant sur les modèles les plus pessimistes de la zone habitable, Kepler-186 f se trouve près de sa limite externe. Dans leur papier, les découvreurs estime que Kepler-186 f reçoit une insolation de 0.32+0.06-0.04. La limite externe de la zone habitable est définie par l’effet de serre maximal pour une étoile comme Kepler-186 avec une température de surface de 3788K à environ 0.24. Pour rester dans des conditions habitables, l’atmosphère de Kepler-186 f devrait être tellurique et posséder une atmosphère dense avec plusieurs bars de CO2 (La pression totale à la surface de la Terre est d’environ 1 bar). La quantité exacte dépend du mélange des gaz et du rôle des nuages d’eau et de CO2 (le sommet de l’atmosphère est sans doutes assez froid pour la formation de nuages de glace sèche) dans la balance d’énergie.\n\nMême si suffisamment de dioxygène était présent dans cette atmosphère, elle serait mortelle pour toute forme de vie terrestre en comptant le genre humains. Mais pour des formes de vies ayant évolué dans ces conditions, ce ne serait pas un problème et Kepler-186 f remplirait les critères scientifiques d’une planète « habitable ». Kepler-186 f a l’air d’être une planète tellurique (et non une mini-neptune) confortablement installée au bord de la zone habitable.\n\nEn mettant de coté sa composition inconnue, le principale problème de Kepler-186 f est qu’elle orbite assez près d’une faible naine rouge, ce qui apporte son lot d’inconvénients. Mais beaucoup de ces inconvénients sont désamorcés par le fait qu’elle orbite à 0.4UA de son petit soleil. L’un des potentiels problèmes est sa vitesse de rotation (journée). Les planètes orbitant près de leur étoile sont soumises à des effets de marée qui ralentissent leur rotation jusqu’à ce qu’elle soit synchrone avec une face perpétuellement éclairée et l’autre toujours dans l’ombre. Néanmoins, des modèles développés il y a déjà 20 ans montrent que même une modeste atmosphère de CO2 est suffisante pour homogénéiser la température à la surface de ces mondes. La présence d’un océan, paramètre qui n’a pas été pris en compte dans ces études, aiderait à éviter les extrêmes. Kepler-186 f pourrait avoir une rotation très lente, ou pas. Dans le pire des cas elle pourrait avoir une rotation lente, mais la présence d’une épaisse atmosphère de CO2 couplée avec un océan liquide augmente ses chances d’être habitable.\n\n \n

Conclusion

\nJ’admet avoir commencé cette analyse de Kepler-186 f dans le but de démonter une énième et discutable annonce médiatique. Beaucoup de caractéristiques de cette planètes sont inconnues mais c’est effectivement une planète de la taille de la Terre qui a peu de chances d’être une géante gazeuse qui orbite dans la zone habitable d’une naine rouge, ce qui est exactement ce qui est affirmé par les découvreurs. Bien qu’il y ai quelques problèmes posés par le type d’étoile que Kepler-186 f orbite nécessitant plus de d’investigations, c’est peut être la planète la plus semblable à la Terre trouvée à ce jour. L’analyse des données de Kepler devrait mettre à jour d’autres planètes comme Kepler-186 f et peut être une planète de la taille de la Terre orbitant dans la zone habitable d’une étoile semblable au Soleil. Ce sont d’après nos connaissances les meilleurs candidats de planètes habitables, et la raison pour laquelle la mission Kepler a été lancée.\n\n \n

Lectures complémentaires

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  • “The Transition from Super Earth to Mini Neptune”, Drew Ex Machina, March 29, 2014 [Post]
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  • “The Extremes of Habitability”, SETIQuest, Volume 4, Number 2, pp. 1-8, Second Quarter 1998 [Article]
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  • “Detecting Habitable Planets: The Next Decade”, SETIQuest, Volume 4, Number 1, pp. 1-6, First Quarter 1998 [Article]
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  • “Habitable Moons: A New Frontier for Exobiology”, SETIQuest, Volume 3, Number 1, pp. 8-16, First Quarter 1997 [Article]
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  • “Habitable Moons”, Sky & Telescope, Volume 96, Number 6, pp. 50-56, December 1998 [On line version]
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Références

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  1. “First Potentially Habitable Earth-Sized Planet Confirmed by Keck and Gemini Observatories”, W.M. Keck Observatory Press Release, April 17, 2014 [Press Release]
  2. \n

  3. Elisa V. Quintana et al., “An Earth-Sized Planet in the Habitable Zone of a Cool Star”, Science, pp. 277-280, Vol. 344, No. 6181, 18 April 2014 [Abstract & Paper Access]
  4. \n

  5. Geoffrey W. Marcy and R. Paul Butler, “The First Three Planets”, The Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI) in the Optical Spectrum II(San Jose, CA; January 29 – February 1, 1996), Stuart A. Kingsley and Guillermo A. Lemarchand (Editors), Proc. SPIE 2704, pp. 46-49, 1996
  6. \n

  7. Andrew J. LePage, “Rating System for SETI Targets”, The Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI) in the Optical Spectrum II (San Jose, CA; January 29 – February 1, 1996), Stuart A. Kingsley and Guillermo A. Lemarchand (Editors), Proc. SPIE 2704, pp. 35-45, 1996 [Abstract]\nNote: Mon papier ne fait pas mention de la première exoplanètes car elle a été découverte après que j’ai soumis mes travaux mais j’en ai parlé lors de ma présentation en conférence.
  8. \n

  9. J. F. Rowe et al., “Validation of Kepler’s multiple planet candidates. III: Light curve analysis & announcement of hundreds of new multi-planet systems”, Astrophysical Journal, Vol. 784, No. 1, Article ID. 45, March 20, 2014
  10. \n

  11. J. J. Lissauer et al., “Validation of Kepler’s multiple planet candidates. II: Refined statistical framework and systems of special interest”, Astrophysical Journal, Vol. 784, No. 1, Article ID. 44, March 20, 2014
  12. \n

  13. R. K. Kopparapu et al., “Habitable zones around main-sequence stars: new estimates”, Astrophysical Journal, Vol. 765, No. 2, Article ID. 131, March 10, 2013
  14. \n

  15. Robert M. Habrele, Christopher P. McKay, Daniel Tyler and Ray T. Reynolds, “Can Synchronously Rotating Planets Support an Atmosphere?”, inCircumstellar Habitable Zones: Proceedings of the First International Conference (ed. Laurence R. Doyle), Travis House Publications, pp. 29-33, 1996
  16. \n

  17. M.M. Joshi, R.M. Habrele and R.T Reynolds, “Simulations of the Atmosphere of Synchronously Rotating Terrestrial Planets Orbiting M Dwarfs: Conditions for Atmospheric Collapse and the Implications for Habitability”, Icarus, Vol. 129, No. 2, pp. 450-465, October 1997
  18. \n