Habitabilité des systèmes naines rouges - Habitability of red dwarf systems

Vue d'artiste d'une planète en orbite autour d'une naine rouge
Ce concept d'artiste illustre une jeune naine rouge entourée de trois planètes.

L' habitabilité des systèmes naines rouges est supposée être déterminée par un grand nombre de facteurs provenant de diverses sources. Bien que les preuves modernes indiquant leur faible flux stellaire , la forte probabilité de verrouillage des marées , les petites zones habitables circumstellaires et la forte variation stellaire subie par les planètes des étoiles naines rouges comme obstacles à leur habitabilité planétaire indiquent que les planètes des systèmes naines rouges sont peu susceptibles d'être habitables, l' ubiquité et la longévité des naines rouges sont des facteurs qui pourraient fournir de nombreuses opportunités pour réaliser toute possibilité d'habitabilité. Comme les étoiles naines rouges sont de loin le type d'étoile le plus courant dans l'univers, les astronomes étudient comment chacun des nombreux facteurs, et les interactions entre eux, pourraient affecter leur habitabilité pour en savoir plus sur la fréquence et les emplacements les plus probables de la vie extraterrestre et intelligence.

L' échauffement intense des marées causé par la proximité des planètes avec leurs naines rouges hôtes est un obstacle majeur au développement de la vie dans ces systèmes. D'autres effets de marée, tels que les différences de température extrêmes créées par un côté des planètes de la zone habitable faisant face en permanence à l'étoile et l'autre perpétuellement détourné et le manque d'inclinaisons axiales planétaires, réduisent la probabilité de vie autour des naines rouges. Les facteurs non liés aux marées, tels que les variations stellaires extrêmes, les distributions spectrales d'énergie décalées vers l' infrarouge par rapport au Soleil et les petites zones habitables circumstellaires en raison d'un faible rendement lumineux, réduisent encore les perspectives de vie dans les systèmes naines rouges.

Il existe cependant quelques facteurs qui pourraient augmenter la probabilité de vie sur les planètes naines rouges. La formation intense de nuages ​​du côté des étoiles d'une planète verrouillée par les marées peut réduire le flux thermique global et réduire considérablement les différences de température d'équilibre entre les deux côtés de la planète. De plus, le grand nombre de naines rouges, qui représentent environ 85 % des étoiles de la Voie lactée et la grande majorité des étoiles des galaxies spirales et elliptiques, augmente statistiquement la probabilité qu'il existe des planètes habitables en orbite autour de certaines d'entre elles. On s'attend à ce qu'il y ait des dizaines de milliards de planètes super-terrestres dans les zones habitables des étoiles naines rouges de la Voie lactée.

Caractéristiques de la naine rouge

Les étoiles naines rouges sont le type d'étoile le plus petit, le plus cool et le plus courant. Les estimations de leur abondance vont de 70 % des étoiles des galaxies spirales à plus de 90 % de toutes les étoiles des galaxies elliptiques , un chiffre médian souvent cité étant de 72 à 76 % des étoiles de la Voie lactée (connue depuis les années 1990 par radiotélescope l'observation est une spirale barrée ). Les naines rouges sont M le type de . Compte tenu de leur faible production d'énergie, les naines rouges ne sont presque jamais visibles à l'œil nu depuis la Terre ; ni la naine rouge la plus proche du Soleil vue individuellement, Proxima Centauri (qui est aussi l'étoile la plus proche du Soleil), ni la naine rouge solitaire la plus proche, l'étoile de Barnard , n'est proche de la magnitude visuelle. Seul Lacaille 8760 (+6,7) est visible à l'œil nu.

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Luminosité et composition spectrale

Tailles relatives des étoiles et températures photosphériques . N'importe quelle planète autour d'une naine rouge, comme celle illustrée ici ( Gliese 229A ), devrait se blottir pour atteindre des températures semblables à celles de la Terre, induisant probablement un blocage de marée . Voir Aurélie . Crédit : MPIA/V. Jörgens.

Pendant des années, les astronomes ont exclu les naines rouges, avec des masses allant d'environ 0,08 à 0,60 masse solaire ( M ☉ ), comme demeures potentielles pour la vie. Les faibles masses des étoiles font que les réactions de fusion nucléaire à leur cœur se déroulent extrêmement lentement, leur donnant des luminosités allant d'un maximum d'environ 10 % de celle du Soleil à un minimum de seulement 0,0125%. Par conséquent, toute planète en orbite autour d'une naine rouge devrait avoir un demi-grand axe bas afin de maintenir une température de surface semblable à celle de la Terre, de 0,268 unités astronomiques (UA) pour une naine rouge relativement lumineuse comme Lacaille 8760 à 0,032 UA pour une plus petite étoile comme Proxima Centauri , l'étoile la plus proche du système solaire . Un tel monde aurait une année qui ne durerait que 3 à 150 jours. Une grande partie de la faible luminosité d'une naine rouge se situe dans la partie infrarouge et rouge du spectre électromagnétique, avec une énergie inférieure à la lumière jaune dans laquelle le Soleil culmine. En conséquence, la photosynthèse sur une planète naine rouge nécessiterait des photons supplémentaires pour atteindre des potentiels d'excitation comparables à ceux nécessaires à la photosynthèse terrestre pour les transferts d'électrons, en raison du niveau d'énergie moyen inférieur des photons dans le proche infrarouge par rapport au visible. Devant s'adapter à un spectre beaucoup plus large pour obtenir le maximum d'énergie, le feuillage d'une planète naine rouge habitable apparaîtrait probablement noir s'il était vu en lumière visible.

De plus, comme l'eau absorbe fortement la lumière rouge et infrarouge, moins d'énergie serait disponible pour la vie aquatique sur les planètes naines rouges. Cependant, un effet similaire d'absorption préférentielle par la glace d'eau augmenterait sa température par rapport à une quantité équivalente de rayonnement d'une étoile semblable au Soleil, étendant ainsi la zone habitable des naines rouges vers l'extérieur.

Un autre fait qui inhiberait l'habitabilité est l'évolution des étoiles naines rouges ; comme ces étoiles ont une phase de pré-séquence principale étendue, leurs éventuelles zones habitables seraient pendant environ 1 milliard d'années une zone où l'eau n'était pas liquide mais à l'état gazeux. Ainsi, les planètes terrestres dans les zones habitables réelles, si elles disposaient d'une eau de surface abondante dans leur formation, auraient été soumises à un effet de serre incontrôlable pendant plusieurs centaines de millions d'années. Au cours d'une phase de serre si précoce, la photolyse de la vapeur d'eau permettrait à l'hydrogène de s'échapper dans l'espace et de perdre plusieurs océans d'eau de la Terre, laissant une épaisse atmosphère d'oxygène abiotique.

Effets de marée

Aux distances orbitales proches, que les planètes autour des étoiles naines rouges devraient maintenir pour que l'eau liquide existe à leurs surfaces, le verrouillage de la marée sur l'étoile hôte est probable. Le verrouillage des marées fait tourner la planète sur son axe une fois à chaque révolution autour de l'étoile. En conséquence, un côté de la planète serait éternellement face à l'étoile et un autre côté serait perpétuellement tourné vers l'extérieur, créant de grands extrêmes de température.

Pendant de nombreuses années, on a cru que la vie sur de telles planètes serait limitée à une région en forme d'anneau connue sous le nom de terminateur , où l'étoile apparaîtrait toujours à l'horizon ou à proximité. On croyait également qu'un transfert de chaleur efficace entre les côtés de la planète nécessitait la circulation atmosphérique d'une atmosphère si épaisse qu'elle interdisait la photosynthèse. En raison du chauffage différentiel, a-t-on soutenu, une planète verrouillée par les marées connaîtrait des vents violents avec des pluies torrentielles permanentes au point faisant directement face à l'étoile locale, le point subsolaire . De l'avis d'un auteur, cela rend la vie complexe improbable. La vie végétale devrait s'adapter au vent constant, par exemple en s'ancrant solidement dans le sol et en faisant germer de longues feuilles flexibles qui ne se cassent pas. Les animaux s'appuieraient sur la vision infrarouge, car la signalisation par des appels ou des odeurs serait difficile par rapport au vacarme du vent à l'échelle de la planète. La vie sous-marine serait cependant protégée des vents violents et des éruptions, et de vastes proliférations de plancton photosynthétique noir et d'algues pourraient soutenir la vie marine.

Contrairement à l'image précédemment sombre pour la vie, 1997 études de Robert Haberle et Manoj Joshi de la NASA du Ames Research Center en Californie ont montré que l'atmosphère d'une planète ( en supposant qu'il comprenait des gaz à effet de serre CO 2 et H 2 O ) doit seulement être 100 milli bar , soit 10 % de l'atmosphère terrestre, pour que la chaleur de l'étoile soit efficacement transportée du côté nuit, un chiffre bien dans les limites de la photosynthèse. Des recherches menées deux ans plus tard par Martin Heath du Greenwich Community College ont montré que l'eau de mer pouvait également circuler efficacement sans geler si les bassins océaniques étaient suffisamment profonds pour permettre un écoulement libre sous la calotte glaciaire du côté nuit. De plus, une étude de 2010 a conclu que les mondes aquatiques semblables à la Terre verrouillés par la marée sur leurs étoiles auraient toujours des températures supérieures à 240 K (-33 ° C) du côté nuit. Les modèles climatiques construits en 2013 indiquent que la formation de nuages ​​sur les planètes verrouillées par les marées réduirait la différence de température entre le côté jour et le côté nuit, améliorant considérablement les perspectives d'habitabilité des planètes naines rouges. D'autres recherches, y compris un examen de la quantité de rayonnement photosynthétiquement actif, ont suggéré que les planètes verrouillées par les marées dans les systèmes naines rouges pourraient au moins être habitables pour les plantes supérieures.

L'existence d'un côté jour et d'un côté nuit permanents n'est pas le seul revers potentiel de la vie autour des naines rouges. Le réchauffement dû aux marées subi par les planètes de la zone habitable des naines rouges, moins de 30 % de la masse du Soleil, peut les faire « cuire » et devenir des « Vénus des marées ». Combiné aux autres obstacles à l'habitabilité des naines rouges, cela peut rendre la probabilité que de nombreuses naines rouges hébergent la vie telle que nous la connaissons très faible par rapport aux autres types d'étoiles. Il n'y a peut-être même pas assez d'eau pour les planètes habitables autour de nombreuses naines rouges ; le peu d'eau que l'on trouve sur ces planètes, en particulier celles de la taille de la Terre, peut se trouver du côté froid et nocturne de la planète. Contrairement aux prédictions d'études antérieures sur les Vénus de marée, cependant, cette « eau piégée » peut aider à éviter les effets de serre incontrôlables et à améliorer l'habitabilité des systèmes de naines rouges.

Les lunes de géantes gazeuses dans une zone habitable pourraient surmonter ce problème car elles deviendraient liées par la marée à leur étoile primaire et non à leur étoile, et connaîtraient ainsi un cycle jour-nuit. Le même principe s'appliquerait aux planètes doubles , qui seraient probablement liées par la marée les unes aux autres.

Notez cependant que la rapidité avec laquelle le verrouillage des marées se produit peut dépendre des océans et même de l'atmosphère d'une planète, et peut signifier que le verrouillage des marées ne se produit pas même après de nombreux Gyrs. De plus, le blocage des marées n'est pas le seul état final possible de l'amortissement des marées. Mercure, par exemple, a eu suffisamment de temps pour se verrouiller en fonction de la marée, mais se trouve dans une résonance d'orbite de rotation de 3:2.

Variabilité

Les naines rouges sont beaucoup plus variables et violentes que leurs cousines plus stables et plus grandes. Souvent, ils sont couverts de taches d'étoiles qui peuvent atténuer leur lumière émise jusqu'à 40 % pendant des mois à la fois. Sur Terre, la vie s'est adaptée à bien des égards aux températures également réduites de l'hiver. La vie peut survivre en hibernant et/ou en plongeant dans des eaux profondes où les températures pourraient être plus constantes. Les océans pourraient geler pendant les périodes de froid extrême. Si tel est le cas, une fois la période d' obscurcissement terminée, l' albédo de la planète serait plus élevé qu'il ne l'était avant l'obscurcissement. Cela signifie que plus de lumière de la naine rouge serait réfléchie, ce qui empêcherait la récupération des températures, ou réduirait peut-être davantage les températures planétaires.

À d'autres moments, les naines rouges émettent des fusées éclairantes gigantesques qui peuvent doubler leur luminosité en quelques minutes. En effet, alors que de plus en plus de naines rouges ont été scrutées pour la variabilité, de plus en plus d'entre elles ont été classées comme des étoiles éclairantes à un degré ou à un autre. Une telle variation de luminosité pourrait être très dommageable pour la vie. Les fusées éclairantes pourraient également produire des torrents de particules chargées qui pourraient enlever des portions importantes de l'atmosphère de la planète. Les scientifiques qui souscrivent à l' hypothèse des terres rares doutent que les naines rouges puissent soutenir la vie au milieu d'un fort torchage. Le verrouillage des marées entraînerait probablement un moment magnétique planétaire relativement faible . Les naines rouges actives qui émettent des éjections de masse coronale (CME) reculeraient la magnétosphère jusqu'à ce qu'elle entre en contact avec l'atmosphère planétaire. En conséquence, l'atmosphère subirait une forte érosion, laissant éventuellement la planète inhabitable. Il a été constaté que les naines rouges ont un taux de CME beaucoup plus faible que prévu de leur activité de rotation ou de torche, et les grandes CME se produisent rarement. Cela suggère que l'érosion atmosphérique est causée principalement par le rayonnement plutôt que par les CME.

Sinon, il est suggéré que si la planète avait un champ magnétique, il dévierait les particules de l'atmosphère (même la rotation lente d'une planète naine M verrouillée par les marées - elle tourne une fois pour chaque fois qu'elle orbite autour de son étoile - serait suffisante générer un champ magnétique tant qu'une partie de l'intérieur de la planète est restée en fusion). Ce champ magnétique devrait être beaucoup plus fort par rapport à celui de la Terre pour offrir une protection contre les éruptions de la magnitude observée (10-1000G par rapport au 0,5G terrestre), qui sont peu susceptibles d'être générées. Mais les modèles mathématiques réels concluent que, même avec les forces de champ magnétique générées par dynamo les plus élevées possibles, les exoplanètes avec des masses comme celle de la Terre perdent une fraction importante de leur atmosphère par l'érosion de l'atmosphère de l'exobase par les sursauts CME et les émissions XUV (même celles de la Terre -les planètes semblables à moins de 0,8 UA, affectant également les étoiles G et K, sont susceptibles de perdre leur atmosphère). L'érosion atmosphérique pourrait même déclencher l'épuisement de l'eau des océans. Les planètes entourées d'une épaisse brume d' hydrocarbures comme celle de la Terre primordiale ou de la lune Titan de Saturne pourraient encore survivre aux éruptions, car les gouttelettes flottantes d'hydrocarbures sont particulièrement efficaces pour absorber le rayonnement ultraviolet.

Une autre façon dont la vie pourrait initialement se protéger des radiations serait de rester sous l'eau jusqu'à ce que l'étoile ait traversé son premier stade d'éruption, en supposant que la planète puisse conserver suffisamment d'atmosphère pour soutenir les océans liquides. Les scientifiques qui ont écrit l'émission télévisée " Aurelia " pensaient que la vie pouvait survivre sur terre malgré un torchage nain rouge. Une fois que la vie a atteint la terre ferme, la faible quantité d'UV produite par une naine rouge silencieuse signifie que la vie pourrait prospérer sans couche d'ozone et n'aurait donc jamais besoin de produire d'oxygène.

Il convient de noter que la période de brûlage violent du cycle de vie d'une naine rouge est estimée à ne durer qu'environ les premiers 1,2 milliard d'années de son existence. Si une planète se forme loin d'une naine rouge afin d'éviter le blocage des marées, puis migre dans la zone habitable de l'étoile après cette période initiale turbulente, il est possible que la vie ait une chance de se développer.

Il a été constaté que les plus grandes éruptions se produisent à des latitudes élevées près des pôles stellaires, donc si les orbites des exoplanètes sont alignées avec la rotation stellaire, elles sont moins affectées par les éruptions qu'on ne le pensait auparavant.

Abondance

L'avantage majeur des naines rouges sur les autres étoiles comme demeures de vie : elles produisent de l'énergie lumineuse pendant très, très longtemps. Il a fallu 4,5 milliards d'années avant que les humains n'apparaissent sur Terre, et la vie telle que nous la connaissons connaîtra des conditions propices pendant 1,5 milliard d'années supplémentaires. Les naines rouges, en revanche, pourraient exister pendant des milliers de milliards d'années, car leurs réactions nucléaires sont beaucoup plus lentes que celles des étoiles plus grandes, ce qui signifie que la vie aurait à la fois beaucoup plus de temps pour évoluer et pour survivre. De plus, bien que les chances de trouver une planète dans la zone habitable autour d'une naine rouge spécifique soient inconnues, la quantité totale de zone habitable autour de toutes les naines rouges combinées est probablement égale à la quantité totale autour des étoiles semblables au Soleil compte tenu de leur ubiquité. La première super-Terre avec une masse de 3 à 4 fois celle de la Terre trouvée dans la zone potentiellement habitable de son étoile est Gliese 581g , et son étoile, Gliese 581 , est bien une naine rouge. Bien que verrouillé par la marée, il est possible qu'à son terminateur de l'eau liquide puisse exister. On pense que la planète existe depuis environ 7 milliards d'années et a une masse suffisamment grande pour supporter une atmosphère.

Une autre possibilité pourrait survenir dans un avenir lointain, lorsque, selon des simulations informatiques, une naine rouge deviendra une naine bleue alors qu'elle épuise son approvisionnement en hydrogène . Comme ce type d'étoile est plus lumineux que la naine rouge précédente, les planètes en orbite qui ont été gelées lors de l'étape précédente pourraient être dégelées pendant les quelques milliards d'années que dure cette étape évolutive (5 milliards d'années, par exemple, pour un 0,16  M ☉ star), donnant à la vie l'opportunité d'apparaître et d'évoluer.

Rétention d'eau

Les planètes peuvent retenir des quantités importantes d'eau dans la zone habitable des naines ultra-froides, avec une zone idéale dans la plage 0,08 – 0,11 M ⊙ , malgré la photolyse FUV de l'eau et la fuite d'hydrogène entraînée par le XUV .

Les mondes aquatiques en orbite autour des naines M pourraient voir leurs océans s'épuiser au cours de l' échelle de temps de Gyr en raison des environnements de particules et de rayonnement plus intenses que connaissent les exoplanètes dans les zones habitables proches. Si l'atmosphère devait s'appauvrir sur une échelle de temps inférieure à Gyr, cela pourrait s'avérer problématique pour l'origine de la vie ( abiogenèse ) sur la planète.

Zone habitable de méthane

Si la vie à base de méthane est possible (similaire à la vie hypothétique sur Titan ), il y aurait une deuxième zone habitable plus éloignée de l'étoile correspondant à la région où le méthane est liquide. L'atmosphère de Titan est transparente à la lumière rouge et infrarouge, donc plus de lumière des naines rouges devrait atteindre la surface d'une planète semblable à Titan.

Fréquence des mondes de la taille de la Terre autour des naines ultra-froides

Système planétaire TRAPPIST-1 (vue d'artiste)

Une étude des données d'archives de Spitzer donne une première idée et une première estimation de la fréquence des mondes de la taille de la Terre autour des étoiles naines ultra-froides : 30 à 45 %. Une simulation informatique révèle que les planètes qui se forment autour d'étoiles de masse similaire à TRAPPIST-1 (environ 0,084 M ⊙ ) ont très probablement des tailles similaires à celles de la Terre.

Dans la fiction

Les exemples suivants d'"extraterrestres" fictifs existant dans les systèmes stellaires des Nains Rouges existent :

  • Shadeward Saga : Dans la saga Shadeward de Drew Wagar , l'histoire se déroule à Esurio, une planète de la taille de la Terre bloquée par les marées et colonisée par les humains qui orbite autour de Lacaille 9352, une naine rouge à 10 années-lumière de la Terre. Le livre décrit de manière adéquate les contrastes saisissants des régions extrêmement froides et brûlantes et le confinement humain au couloir tempéré entre les deux zones, tout en décrivant certaines des difficultés probables qu'une population humaine de type médiéval connaîtrait dans un tel monde, telles que la problématique navigation des mers profondes dans un monde de soleil perpétuel sans points de référence tels que les étoiles, ou les éruptions énergétiques occasionnelles qui se produisent périodiquement dans une naine rouge typique.
  • Ark : Dans l'Arche deStephen Baxter, après que la planète Terre soit complètement submergée par les océans, un petit groupe d'humains se lance dans un voyage interstellaire pour finalement se rendre sur une planète nommée Terre III. La planète est froide, bloquée par les marées et la vie végétale est noire (afin de mieux absorber la lumière de la naine rouge).
  • Draco Tavern : DansLarry NivendeDraco Tavernhistoires, les étrangers Chirpsithra très avancésévolué sur un monde d'oxygène verrouillé marée autourune naine rouge. Cependant, aucun détail n'est donné au-delà qu'il s'agissait d'environ 1 masse terrestre, un peu plus froide, et qu'il utilisait la lumière du soleil naine rouge.
  • Nemesis :Isaac Asimovévite les problèmes d'effet de marée de la naine rouge Nemesis en faisant de la "planète" habitable un satellite d'une géante gazeuse qui est verrouillée par marée sur l'étoile.
  • Étoiles Maker : DansOlaf Stapledonde 1937science fictionromanStar Maker,une des nombreuses civilisations extraterrestres dans la Voie lactéeil décrit est situé dans la zone de terminaison d'une planète verrouillé tidally d'un système nain rouge. Cette planète est habitée par desplantesintelligentesqui ressemblent à descarottesavec des bras, des jambes et une tête, qui « dorment » une partie du temps en s'insérant dans lesolsur des parcelles de terre et en absorbant la lumière du soleil grâce à laphotosynthèse, et qui éveillent une partie du temps, émergeant de leurs parcelles de terre comme des êtres locomoteurs qui participent à toutes les activités complexes d'unecivilisation industriellemoderne. Stapledon décrit également comment la vie a évolué sur cette planète.
  • Superman : La maison de Superman,Krypton, était en orbite autour d'une étoile rouge appeléeRaoqui, dans certaines histoires, est décrite comme étant une naine rouge, bien qu'elle soit plus souvent appeléegéante rouge.
  • La famille propulsion : Dans l'émission pour enfants Ready Jet Go! , Carrot, Celery et Jet sont une famille d'extraterrestres connus sous le nom de Bortronians qui viennent de Bortron 7, une planète de la naine rouge fictive Ignatz 118 (également appelée Bortron). Ils ont découvert la Terre et le Soleil lorsqu'ils ont capté un signal radio « primitif » (Épisode : « Comment nous avons trouvé votre soleil »). Ils ont également donné une description des planètes du système solaire bortronien dans une chanson du film Ready Jet Go!: Back to Bortron 7 .
  • Aurelia Cette planète, vue dans le documentaire spéculatif Extraterrestrial (également connu sous le nom de mondes extraterrestres ) , détaille à quoi pourrait ressembler la vie extraterrestre selon la théorie scientifique sur une planète en orbite autour d'une étoile naine rouge.

Voir également

Matériel d'apprentissage de Wikiversité :

Les références

Lectures complémentaires

  • Stevenson, David S. (2013). Sous un soleil cramoisi : perspectives de vie dans un système nain rouge . New York, NY : Mentions légales : Springer. ISBN 978-1461481324.

Liens externes