Zone habitable

Une zone habitable ou ZH est, en astronomie et en exobiologie, une région de l'espace où les conditions sont favorables à l'apparition de la vie telle que nous la connaissons sur Terre. Il existe deux types de régions qui peuvent être conjointement favorables, l'une au niveau d'un système planétaire, l'autre au niveau d'une galaxie. Les planètes et les lunes situées dans ces régions sont des candidates possibles à l'habitabilité d'une planète et donc potentiellement capables d'héberger une vie extraterrestre.

Pour les articles homonymes, voir CHZ.

Exemple d’étude basée sur la luminosité d’une étoile pour la prédiction de l'emplacement de la zone habitable autour de différents types d'étoiles (échelle non respectée)

Les limites des zones habitables sont calculées à partir des éléments connus de la biosphère de la Terre, comme sa position dans le Système solaire et la quantité d'énergie qu'elle reçoit du Soleil[1].

Histoire

Le concept de zone habitable est introduit en 1913 par Edward Maunder dans son livre Are The Planets Inhabited? (« Les planètes sont-elles habitées ? »)[2],[3], puis discuté en 1953 par Hubertus Strughold dans son traité The Green and the Red Planet: A Physiological Study of the Possibility of Life on Mars (« La planète verte et la planète rouge : étude physiologique de la possibilité d'une vie sur Mars »), où il emploie pour la première fois le terme « écosphère » et distingue différentes « zones » où la vie pourrait apparaître[4],[5]. La même année, Harlow Shapley écrit Liquid Water Belt (« La ceinture de l'eau liquide »), qui développe le même concept avec plus de détails scientifiques. Les deux auteurs attachent beaucoup d'importance à la présence d'eau liquide pour permettre l'apparition de la vie. Le terme habitable zone (« zone habitable ») est forgé en 1959 par l'astrophysicien américain Su-Shu Huang, pour désigner la zone autour d'une étoile où l'eau pourrait se maintenir sous forme liquide[6],[7].

Zone habitable circumstellaire (ZHC)
Zone habitable autour du Soleil (en haut) et de Gliese 581 (au milieu)

La zone habitable circumstellaire (ou écosphère, abrégée en ZH) est une sphère théorique entourant une étoile et où la température à la surface des planètes y orbitant permettrait l'apparition d'eau liquide. Beaucoup[Qui ?] pensent que l'eau liquide est vitale à cause de son rôle dans les réactions biochimiques. En 1959, les physiciens Philip Morrison et Giuseppe Cocconi ont décrit la zone dans une recherche du SETI. En 1961, Frank Drake a popularisé cette idée dans son équation.

En pratique, cette zone correspond à celle où l'on s'attend à pouvoir détecter une vie organique de surface par son interaction avec l'atmosphère (biomarqueurs). En d'autres termes, il peut exister des objets habitables hors de la zone habitable, mais ceux-ci étant dès lors a priori habitables éventuellement en sous-sol et non en surface, l'absence d'interaction avec l'atmosphère rendra extrêmement difficile si ce n'est impossible leur détection.

La fourchette des estimations publiées pour l'étendue de la CHZ du Soleil. La CHZ conservatrice est indiquée par une bande vert foncé traversant le bord intérieur de l'aphélie de Vénus, tandis qu'une CHZ étendue, s'étendant jusqu'à l'orbite de la planète naine Ceres, est indiquée par une bande vert clair.

Le fait qu'un corps se trouve dans la zone habitable circumstellaire de son étoile hôte dépend du rayon de l'orbite de la planète (pour les satellites naturels, l'orbite de la planète hôte), de la masse du corps lui-même et du flux radiatif de l'étoile hôte. Compte tenu de la grande variétés de masses de planètes dans une zone habitable circumstellaire, couplée à la découverte de planètes super-terrestres qui peuvent supporter des atmosphères plus épaisses et des champs magnétiques plus puissants que la Terre, les zones habitables circumstellaires sont maintenant divisées en deux régions distinctes : une "zone habitable conservatrice" dans laquelle des planètes de masse inférieure comme la Terre peuvent rester habitables ; complétée par une "zone habitable étendue" plus grande dans laquelle une planète comme Vénus, avec des effets de serre plus forts, peut avoir la bonne température pour que l'eau liquide existe à la surface[8].

Étoiles de type solaire

Autour du Soleil, la plupart des auteurs situent la zone habitable entre 142 et 235 millions de kilomètres[réf. souhaitée]. La Terre, située à 149,6 × 106 km du Soleil, est donc proche de sa limite interne. Comme le Soleil devient progressivement de plus en plus lumineux (sa luminosité augmente de 7 % par milliard d'années), la Terre ne sera plus dans la zone habitable dans 1,7 milliard d'années[réf. nécessaire].

Si l'on admet au contraire que la Terre est à peu près au centre de la zone habitable autour du Soleil, on peut calculer pour une étoile quelconque la distance du centre de cette zone à l'étoile selon la taille et la luminosité de l'étoile : l'énergie reçue par une planète étant inversement proportionnelle au carré de la distance à l'étoile (loi en carré inverse), on prend comme référence la distance de la Terre au Soleil (1 AU) et la luminosité de celui-ci pour obtenir l'équation relative suivante :

où :

est le rayon de la ZH en unités astronomiques ;
la luminosité de l'étoile ;
la luminosité du Soleil.

Par exemple une étoile avec 25 % de la luminosité du Soleil aura une ZH centrée à environ 0,50 UA, et une étoile avec deux fois la luminosité du Soleil aura une ZH centrée à 1,41 UA. Le « centre » de la ZH est donc défini comme la distance à laquelle l'exoplanète devrait se situer par rapport à son étoile pour avoir une température moyenne comparable à celle de la Terre en supposant (parmi beaucoup d'autres conditions) qu'elle ait une atmosphère similaire en composition et en densité.

Comme au cours de leur évolution sur la séquence principale les étoiles deviennent plus brillantes et plus chaudes, logiquement la ZH s'éloigne progressivement de l'étoile. Pour optimiser le potentiel de développement de la vie, une planète devrait se situer sur une orbite qui reste le plus longtemps possible dans la ZH.

Étoiles naines M

La plupart des naines M sont entourées d'un système planétaire resserré, caractérisé par une faible abondance de planètes de masse de l'ordre de celle de Jupiter et la présence de plusieurs planètes rocheuses. Environ un tiers de ces planètes rocheuses ont leur orbite dans la zone habitable et pourraient donc abriter de l'eau liquide en surface[9].

Zone habitable galactique (ZHG)

Pour que la vie puisse apparaître sur une planète, il ne suffit pas qu'elle soit dans l'écosphère de son étoile ; son système planétaire doit se situer assez près du centre de la galaxie pour avoir suffisamment d'éléments lourds qui favorisent la formation de planètes telluriques et des atomes nécessaires à la vie, tels que le fer dans l'hémoglobine ou le cuivre dans l'hémocyanine et l'iode dans la glande thyroïde.

Mais ce système devra également se situer assez loin du centre galactique pour éviter des dangers tels que :

Des études[Lesquelles ?] ont montré également que des régions où les éléments lourds abondent semblent avoir plus de chances de posséder des planètes géantes orbitant très près de leur étoile, ce qui détruirait ou éjecterait hors du système des planètes de type terrestre. Pour toutes ces raisons, il est très difficile de déterminer la ZH d'une galaxie.

Dans notre galaxie, la Voie lactée, la ZHG serait située à 25 000 années-lumière (8 kiloparsecs) du centre galactique, s'étendant sur 6000 années-lumière et contenant des étoiles vieilles de 4 à 8 milliards d'années. Comme les galaxies ont des compositions différentes, la ZHG pourrait être plus ou moins grande, voire ne pas exister du tout dans certaines galaxies.

Les candidates
  • Trois planètes telluriques autour de Gliese 581, une naine rouge à 20,5 années-lumière de la Terre, sont situées dans cette zone habitable[10]. Au sein de ce système Gliese 581 g est, au moment de sa découverte le , la plus adaptée à la présence de la vie[11],[12]. Néanmoins des doutes subsistent quant à l'existence de cette exoplanète[13].
  • Le système stellaire constitué autour de HD 10180, une étoile de classe G distante de 127 années-lumière, comporterait lui aussi une planète orbitant dans la zone habitable. Cette planète, HD 10180 g, se situerait à 1,422 UA de son étoile, sa masse pourrait être d'environ 20 fois celle de la Terre et sa période orbitale durerait l'équivalent de 601,2 jours terrestres[14].
  • Le , la NASA révélait l’existence d’une autre planète positionnée dans la zone habitable d’une étoile semblable au Soleil. Cette planète baptisée Kepler-22 b est située à environ 600 années-lumière de la Terre. Selon la NASA, elle serait 2,4 fois plus grande que la Terre, et elle ferait le tour de son étoile en 290 jours[15]. Kepler-22 b représente un grand potentiel pour la recherche de vie extraterrestre.
  • Le , la NASA annonce que la planète Kepler-186 f se situe dans la zone habitable de l'étoile Kepler-186, et serait de taille équivalente à la Terre. Il s'agit en 2014 de la planète la plus semblable à la Terre[16].
  • Le , Gliese 832 c a été découverte par une équipe internationale d'astronomes, dirigée par Robert A. Wittenmyer, elle est alors le membre le plus proche[pas clair] de la Terre dans le Catalogue des exoplanètes habitables puisqu'elle possède un indice de similarité avec la Terre de 0,81, soit l'un des plus élevés de toutes les exoplanètes connues.
  • Le jeudi , la NASA annonce la découverte de la planète baptisée Kepler-452b. Située à environ 1 400 années-lumière de nous dans la constellation du Cygne, elle est la première planète tellurique détectée dans la zone habitable d'une étoile de type solaire autre que le Soleil lui-même. Avec un rayon 60 % plus grand que celui de la Terre, Kepler-452b aurait donc un volume environ 4 fois supérieur et une masse environ 5 fois supérieure. Située dans un système âgé de 6 milliards d'années (1,5 milliard d'années de plus que le système solaire), cette exoplanète subirait (selon les modèles) ce que la Terre subira dans un peu plus d'un milliard d'années[17],[18],[19].

Critiques

Le concept est critiqué par Ian Stewart et Jack Cohen dans leur livre Evolving the Alien (L'Évolution des extraterrestres), en deux points :

  • cette hypothèse suppose que la vie extraterrestre a les mêmes besoins de développement que la vie terrestre, ce qu'ils considèrent comme réducteur ;
  • même en acceptant ce premier point, certaines circonstances rendraient habitables des planètes situées hors de la ZH. On suspecte par exemple l'un des satellites de Jupiter, Europe, d'abriter un océan sous une banquise de plusieurs kilomètres, qui pourrait héberger des formes de vie.

Notons aussi que la zone peut être plus large que prévu, en fonction de la quantité d'eau sur la planète[20].

Notes et références
  1. « C'est quoi une planète en zone habitable ? », sur www.sciencesetavenir.fr, (consulté le ).
  2. (en) Ralph Lorenz (en), Exploring Planetary Climate : A History of Scientific Discovery on Earth, Mars, Venus and Titan, Cambridge University Press, , 316 p. (ISBN 978-1-108-47154-1 et 1-108-47154-4, lire en ligne), p. 53.
  3. (en) Ralph Lorenz (en), « Maunder's Work on Planetary Habitability in 1913: Early Use of the term "Habitable Zone" and a "Drake Equation" Calculation », Research Notes of the American Astronomical Society, vol. 4, no 6,‎ (DOI 10.3847/2515-5172/ab9831).
  4. (en) Richard J. Huggett, Geoecology : An Evolutionary Approach, Routledge, Chapman & Hall, , 320 p. (ISBN 978-0-415-08689-9, présentation en ligne), p. 10.
  5. (en) Hubertus Strughold, The Green and Red Planet : A Physiological Study of the Possibility of Life on Mars, University of New Mexico Press, (présentation en ligne).
  6. (en) James F. Kasting, Daniel P. Whitmire et Ray T. Reynolds, « Habitable Zones around Main Sequence Stars », Icarus, vol. 101, no 1,‎ , p. 108-118 (DOI 10.1006/icar.1993.1010).
  7. (en) Su-Shu Huang, National Research Council (U.S.). Study Group on Biology and the Exploration of Mars, Extraterrestrial life : An Anthology and Bibliography, Washington, D. C., National Academy of Sciences, (Bibcode 1966elab.book.....S, présentation en ligne), p. 87-93.
  8. (en) James F. Kasting, « Runaway and Moist Greenhouse Atmospheres and the Evolution of Earth and Venus », Icarus 74,‎ (DOI 10.1016/0019-1035(88)90116-9, lire en ligne, consulté le )
  9. (en) Aomawa L. Shields, Sarah Ballard et John Asher Johnson, « The habitability of planets orbiting M-dwarf stars », Physics Reports, vol. 663,‎ , p. 1-38 (DOI 10.1016/j.physrep.2016.10.003).
  10. (fr) Laurent Sacco, « Exoplanète : Gliese 581 c serait favorable au développement de la Vie ! », sur Futura-Sciences.
  11. (en) New Planet May Be Able to Nurture Organisms dans The New York Times du 29 septembre 2010.
  12. Des astronomes découvrent une exoplanète potentiellement habitable dans Le Monde du 30 septembre 2010.
  13. « Gliese 581g: la première planète extrasolaire habitable ? Pas si sûr... », sur www.techno-science.net.
  14. « Planet: HD10180g », Extrasolar Planets Encyclopaedia (consulté le ).
  15. Zone Science - ICI.Radio-Canada.ca, « Habitable comme la Terre? », sur Radio-Canada.ca.
  16. Zone Science - ICI.Radio-Canada.ca, « Une planète comparable à la Terre hors du système solaire », sur Radio-Canada.ca.
  17. « La Nasa présente Kepler 452b, une planète cousine de la Terre » (consulté le ).
  18. « La Nasa nous présente la planète la plus similaire à la Terre : Kepler 452-b - SciencePost » (consulté le ).
  19. « Kepler-452 b », sur exoplanetarchive.ipac.caltech.edu (consulté le ).
  20. Les exoterres sont probablement des arakis comme dans la saga Dune sur www.futura-sciences.com.

Voir aussi

Bibliographie
  • Charles H. Lineweaver, Yeshe Finner and Brad K. Gibson, « The Galactic Habitable Zone and the Age Distribution of Complex Life in the Milky Way », Science, , volume 303, no 5654, pp. 59-62.
  • [Lorenz 2020] (en) Ralph D. Lorenz, « Maunder's Work on Planetary Habitability in 1913: Early Use of the term "Habitable Zone" and a "Drake Equation" Calculation », Research Notes of the AAS, vol. 4, no 6,‎ (lire en ligne)

Articles connexes

Liens externes
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