La vie : quoi et où ? Les exoplanètes Formation des systèmes planétaires Recherche...

• La vie : quoi et où ?

• Les exoplanètes

• Formation des systèmes planétaires

• Recherche d’intelligences

• Sommes-nous visités ?

La vie dans l’Univers

Dans notre système solaire : il reste une faible probabilité d’existence d’une vie primitive ailleurs que sur terre

• Mars (dans le passé ?)

• Titan, Europe,… ???

Recherche d’une vie évoluée → aller voir plus loin

Que chercher ? Seules formes de vie connues : sur notre Terre

Possibilité de formes de vie exotiques (science-fiction) mais nous ne saurions pas que chercher, ni comment

→ recherche de formes de vie analogues à la nôtre

→ sur des planètes : • à croûte solide

• avec de l’eau liquide (excellent solvant)

Où chercher la vie ?

Les grandes étapes de la vie sur Terre

t (GYr) h Événement

−4.6 0h Formation de la Terre

−4.5/−4.0 1h/3h Formation des océans

−4.0 ? 3h ? Premiers organismes unicellulaires

−1.3 17h Premières plantes multicellulaires

−0.6 21h Explosion du cambrien (1ers animaux)

−0.4 22h La vie sort des océans

−0.1 23h30m Premiers mammifères

−0.0005 23h59m50s Homo Sapiens

(−100 ans 23h59m59s.998 Invention de la radio)

La vie : quoi et où ? - 2

Attention !

Le point de vue adopté dans ce tableau (dernières lignes) est très anthropomorphique !

Les planètes habitables

Zone habitable (ZH) = zone entourant l’étoile où la présence d’eau à l’état liquide est possible


Zone habitable au début de la vie de l’étoile

Zone habitable à la fin de la vie de l’étoile

Zone continuellement habitable

Étoile

L* augmente durant la phase de séquence principale

→ la zone habitable se déplace

Position idéale : dans la zone continuellement habitable (ZCH)

Complication par effet de serre éventuel

→ dépend de l’atmosphère planétaire

Autour de quelles étoiles ?

• Étoiles O, B, A, F : vie trop brève < 3 milliards d’années (GYr)

• Étoiles M : vie très longue mais étoiles très peu lumineuses

→ (1) ZH très étroite et pas de ZCH (mais 200 GYr pas nécessaires)

(2) ZH très proche de l’étoile → rotation synchrone probable

→ radiation mortelles de la couronne ?

• Étoiles G : bon compromis

• Étoiles K : peut-être les mêmes problèmes que les étoiles M

Seules les étoiles G (et K ?) de séquence principale non binaires sont susceptibles de procurer un environnement adéquat

→ ~ 10% des étoiles de la Galaxie


Exoplanète = planète extrasolaire = planète gravitant autour d’une étoile autre que le soleil

• Imaginons un système comme le nôtre autour d’α Cen

D (α Cen) = 4.2 AL = 260 000 UA d (Jupiter – Soleil) = 5.2 UA

θ = dist. ang. = 5.2/260000 rad = 4″ Luminosité LP/L* ~ 10−9

• Autres étoiles : plus éloignées → problème encore plus difficile

ex : ε Eri : D = 10.5 AL d (planète – étoile) = 3.2 UA

θ = 3.2/650000 rad = 1″

→ détection directe généralement hors de portée des moyens actuels

→ recherche par des méthodes indirectes

Les exoplanètes

Premières découvertes

• 1992 : découverte de 2 planètes autour du pulsar PSR B1257+12 par Aleksander Wolszczan

M = 4.3 & 2.8 MT d = 0.36 & 0.47 UA

• 1995 : découverte de la première exoplanète orbitant autour d’une étoile « normale » par Michel Mayor et Didier Queloz

51 Peg : G2IV D = 48 AL M = 1.05 M

51 Peg b : M > 150 MT d = 0.05 UA

T = 4 jours

Les exoplanètes - 2

Méthodes de détection : imagerie directe

Seulement dans des cas particuliers et avec les meilleures techniques actuelles (espace, optique adaptative…)


Naine brune 2M1207 et sa planète (ESO)

→ étoiles peu lumineuses et proches

planètes massives

grandes orbites

Exemples :

• 2M1207, naine brune à 50 pc

planète de 5 MJup à 40 UA

• AB Pic, K2V à 46 pc

planète de 13 MJup à 275 UA

Mouvement orbital

3e loi de Kepler généralisée :

(s’obtient en égalant force gravifique = force centripète pour M et m)


Vitesse de l’étoile :

)(π4

)(

2

3

2

mMGaAT

CA aM m

v

V

2

2

)( aAGMm

AMV

22

aGmA

VAa

MaGm

VMm

aA 2

2

Méthodes de détection : vitesses radiales

M >> m & a >> A → Kepler :


31

32

1

2

3

2 1π4 MTK

aGMaT

34

322

22

MTmKV 32

31

rad sin

MTimKV

i = angle entre plan de l’orbite et ciel

V en km/s T en années

m en MJup M en M

→ plus sensible aux grandes masses planétaires et courtes périodes

CA aM m

v

V

Méthodes de détection : microlentilles gravitationnelles

Amplification d’une étoile d’arrière plan par une étoile passant sur la ligne de visée (déviation de la lumière avec pseudo-focalisation)

Si l’étoile a une planète qui passe devant la source d’arrière-plan :


→ maximum secondaire dans la courbe de lumière

Détection de faibles masses (ex : 5.5 MT) mais pas de vérification possible !

Événements peu probables → nécessité d’observer un grand nombre de sources

Méthodes de détection : transits

Si la planète passe devant son étoile → éclipse partielle

Baisse de luminosité apparente : ΔL/L ~ (RP/R*)2 → grande précision

+ favorise les grosses planètes autour de petites étoiles


Prob(transit) ~ R*/a

+ nécessité d’observer plusieurs transits

→ favorise également les courtes périodes

Événements peu probables → nécessité d’observer un grand nombre de sources

Exoplanètes détectées

Octobre 2007 : > 250 exoplanètes découvertes

Vitesses radiales : 207 systèmes planétaires


Transits : 28

Microlentilles : 4

Pulsars : 3

Jupiters chauds

Les premières exoplanètes découvertes étaient des planètes très massives orbitant très près de leur étoile

→ on les a appelées des Jupiters chauds (M > ~MJup, d < 0.05 UA)

Leur découverte fut une surprise et a forcé les astronomes à revoir les


théories de formation des systèmes planétaires

Mais ces planètes sont les plus faciles à détecter :

• Vrad grande, T courte

• transits profonds et plus fréquents

→ biais observationnel ?

Contraction de la nébuleuse protostellaire

→ étoile au centre, entourée d’un disque de gaz et de poussières

Collisions entre grains de poussière → agrégation

→ taille augmente jusqu’à quelques km : planétésimales

Formation des systèmes planétaires

La gravitation commence à jouer

→ encore + de collisions avec :

• fusion et augmentation de taille

• ou pulvérisation des agrégats

• orbites excentriques → encore + de collisions

Protoplanètes

• Les planétésimales les plus massives ont tendance à grandir encore plus en capturant les corps sur leur orbite

• Taille ~ 1000 km → protoplanètes

• Les plus massives peuvent s’entourer d’un disque de matière qui donnera naissance à leurs satellites

• Perturbation des orbites des petits corps par les plus grosses planètes

→ grand bombardement et grand nettoyage du système planétaire

Formation des systèmes planétaires - 2

Différenciation planétaire

• Contraction gravifique de l’étoile

→ maximum de luminosité peu après sa formation

• Dans le système intérieur :

– vaporisation des glaces contenues dans les grains de poussière

– pression de radiation → repousse les gaz vers l’extérieur

(→ ne reste que ~ 2% de la matière initiale)

→ planétésimales composées de roches + métaux

→ objets telluriques


Différenciation planétaire

• Dans le système extérieur :

– planétésimales de roches + métaux + glaces → objets ganymédiens

– la masse des glaces ~ 3 ou 4 fois la masse de roches et métaux

→ protoplanètes beaucoup plus massives et température plus basse

→ possibilité de capturer les gaz (H, He) → planètes joviennes

• Comment expliquer l’existence de Jupiter chauds ?

– formation dans le système extérieur puis migration vers l’intérieur (interactions gravifiques dans le disque ou avec d’autres étoiles ?)

– lors de la migration : éjection probable des plus petites planètes

→ probablement pas de planètes telluriques dans ces systèmes


Notre système solaire : un cas particulier ?

Exoplanètes : – grande proportion de Jupiters chauds

– beaucoup d’excentricités élevées (→ éjections)


→ notre système solaire avec les planètes joviennes restées « à leur place » est-il une exception ?

→ conséquences pour la vie dans l’Univers ?

Atmosphère et océans des planètes telluriques

Les composants des atmosphères (et océans) des planètes telluriques étaient dans la partie « glaces » du disque protoplanétaire

→ comment expliquer leur présence actuelle ?

2 hypothèses :

• dégazage d’une petite fraction des glaces qui aurait pu survivre à l’intérieur des planètes (gaz rejetés par les volcans)


• grande pluie : après le maximum de luminosité solaire, impact de comètes riches en glaces :

– originaires des régions extérieures

– déviées par les planètes joviennes

Rappel : ~ 10% des étoiles de la Galaxie sont susceptibles de fournir un environnement adéquat à la vie

1960 : Frank Drake essaie d’estimer le nombre de civilisations technologiques dans notre Galaxie

Recherche d’intelligences

Taux de formation d’étoiles adéquates R* :

~1011 étoiles dans la Galaxie

~1010 étoiles « adéquates »

Âge de la Galaxie ~ 1010 ans

→ naissance d’une étoile adéquate par an (en moyenne) Frank Drake et « son » équation

Fraction d’étoiles ayant des planètes fp :

Les recherches actuelles donnent des résultats positifs pour ~ 5% des cibles (mais concernent des planètes gazeuses massives)

→ adoptons cette valeur malgré tout → une étoile tous les 20 ans

Nombre de planètes habitables par étoile ayant des planètes ne :

Il faut dans la ZH au moins une planète tellurique suffisamment massive pour retenir une atmosphère et pas de Jupiter chaud dans le système

→ supposons que cela arrive une fois sur 10 : ne ~ 0.1

→ une étoile tous les 200 ans (50 millions de planètes habitables !)

Recherche d’intelligences - 2

Fraction de planètes habitables où la vie se développe fl :

La vie est apparue rapidement sur Terre dès que les conditions ont été remplies

→ on peut supposer fl ~ 1 (disons 0.5) → une étoile tous les 400 ans

Fraction de planètes où la vie évolue vers l’intelligence fi :

Là, on n’a pas vraiment d’informations…

Probabilité que la vie évolue vers des organismes multicellulaires ?

Probabilité qu’une forme de vie complexe développe l’intelligence ?

Qu’est-ce que l’intelligence ?

→ supposons fi ~ 0.01 → une étoile tous les 40 000 ans


Fraction des formes de vie intelligentes qui développent une civilisation technologique fc :

Personnellement, je trouve cette éventualité assez probable

→ je suppose fc ~ 1 (disons 0.25) → une étoile tous les 100 000 ans

Notre Galaxie a ~ 10 milliards d’années

→ selon cette estimation, 100 000 civilisations technologiques auraient pu voir le jour dans notre Galaxie [et la plus proche de nous pourrait (aurait pu) être à ~ 400 AL]

Combien pourrait-il y en avoir actuellement ?

Cela dépend de la durée de vie moyenne L d’une civilisation technologique


Premier programme SETI

SETI = Search for ExtraTerrestrial Intelligence


= recherche de signaux radio émis (intentionnellement ou non) par des intelligences extraterrestres

1960 : Frank Drake tourne le radiotélescope de Green Bank vers :

– τ Ceti : sans résultat

– ε Eridani : signal intense mais non reproductible (en fait, signal émis par un avion espion U-2 volant à 20 000 m au-dessus de l’URSS)

Difficultés des programmes SETI

• A quelle(s) fréquence(s) chercher ?

• Éliminer les signaux parasites (surtout terrestres)

• Comment séparer les signaux naturels et artificiels ?

• Reproductibilité


Ci-contre :

un signal apparemment artificiel détecté en 2002

(= interférence inhabituelle entre un satellite GPS et une station au sol ?)

t

ν

Programme SETI le plus ambitieux

Débute en 1992 (500e anniversaire de la découverte de l’Amérique)

Utilise le radiotélescope d’Arecibo (300 m) à Porto Rico

À l’origine, analyse des signaux de 1000 étoiles semblables au Soleil


Interrompu un an plus tard par le Sénat, suite au réquisitoire de deux de ses membres

Repris ensuite grâce à des fonds privés.

Quantité énorme de données à analyser

→ SETI@home

« Bien sûr qu’il existe des créatures étranges, des soucoupes volantes et des civilisations avancées dans l’espace. Mais nous n’avons pas besoin de dépenser 6 millions de dollars cette année pour prouver que ces vilaines créatures existent. Il suffit de 75 cents pour acheter un magazine au supermarché. [En coupant ces crédits] nous avons une occasion de prouver qu’il y a encore une vie intelligente sur Terre. »

Résultats des programmes SETI

• Détections de signaux artificiels

• Souvent identifiés (sources « terrestres »)

• Parfois non identifiés mais non confirmés jusqu’à présent

• Parfois reproductibles (2 – 3 détections)

• Méthodologie stricte : pas d’annonce « hasardeuse » avant confirmation suffisante (manière de procéder en contraste flagrant avec celle des ufologues)


Types de signaux détectables

• Signal émis intentionnellement vers nous → puissant et structuré


Mais quelle en serait la motivation ?

• Radiocommunications qui s’échappent vers l’espace

→ plus faible (3D) et plus confus

→ serions-nous capables de le détecter et reconnaître sa nature « intelligente » ?

• Une civilisation technologique utilise-t-elle nécessairement les communications radio ?

Et nous, qu’avons-nous envoyé ?

• 16/11/1974 : message de 169 secondes envoyé par le radiotélescope d’Arecibo vers l’amas globulaire M13 situé à 25000 AL :


– nombres de 0 à 10 codés en binaire

– numéros atomiques de H, C, N, O, P (à la base de la vie sur Terre)

– formules chimiques des bases de l’ADN

– organisation spatiale de l’ADN

– petit bonhomme

– place de la terre dans le système solaire

– antenne d’Arecibo,…

Sommes-nous seuls ? Le paradoxe de Fermi

Parmi toutes les civilisations extragalactiques, une d’entre elles, si elle a des visées expansionnistes, devrait déjà avoir colonisé la Galaxie

Comment ?

Supposons qu’elle envoie des missions spatiales vers 10 planètes habitables et que chacune des 10 colonies envoie à son tour des missions vers 10 nouvelles planètes


Cela peut être très long, mais peu importe

Supposons qu’il faille 100 000 ans pour atteindre une nouvelle planète, y recréer une civilisation et envoyer 10 nouvelles missions

→ en moins de 800 000 ans, la Galaxie est colonisée

Temps requis pour coloniser la Galaxie

En 100 000 ans, 10 planètes sont colonisées

En 200 000 ans, 100 planètes

En 300 000 ans, 1000 planètes

… (croissance exponentielle)

En 800 000 ans, 100 millions de planètes habitables = toute la Galaxie

Or, des étoiles 5 milliards d’années plus vieilles que les Soleil ont des environnements propices à la vie

→ parmi les civilisations ET, certaines pourraient avoir des milliards d’années d’avance sur nous → ces ET devraient être là

Conclusion de Fermi : ils ne sont pas là, donc nous sommes seuls !!!


Solution proposée par Fermi

Pour résoudre son paradoxe, Fermi suggère que, au moment où une civilisation acquiert la technologie des voyages spatiaux, elle acquiert aussi les moyens de s’autodétruire

(contexte de la guerre froide)

Si la durée de vie moyenne d’une civilisation technologique est inférieure au temps moyen qu’il faut pour qu’une telle civilisation apparaisse dans la Galaxie (~ 100 000 ans dans mon estimation)

→ il peut naître beaucoup de civilisations

mais, en moyenne, il n’y a qu’une seule civilisation technologique à la fois dans la Galaxie


Sommes-nous si sûrs qu’ils ne sont pas là ?

De nombreuses personnes prétendent que :

– non seulement des civilisations extraterrestres existent

– il n’est pas besoin de programmes SETI pour les détecter

Sommes-nous visités ?

car ils nous rendent visite :

Les E.T. sont parmi nous !

Preuves de visites extraterrestres ?

• Objets Volants Non Identifiés

• Crop Circles

• Anciens Astronautes

• Contacts

• Enlèvements

→ jusqu’à présent, aucune de ces « évidences » n’a résisté à un examen sérieux

→ rencontres d’extraterrestres = version moderne de vieux mythes

→ Sommes-nous visités ? Probablement pas…

Sommes-nous visités ? - 2

Solutions possibles au paradoxe de Fermi

1. Énormité des distances

Avec une fusée moderne (20 000 km/h) il faut :

1 jour pour aller jusqu’à la lune,

1 an pour aller jusque Mars ou Vénus,

20 ans pour traverser le système solaire,

200 000 ans pour atteindre l’étoile la plus proche,

4 milliards d’années pour traverser la Galaxie

S’il y a ~ 100 000 civilisations ET dans la galaxie, il faudrait :

~ 20 millions d’années pour atteindre la plus proche !



1. Énormité des distances (suite)

En multipliant encore par 4000 la vitesse de nos fusées (0.1c), il faudrait :

40 ans pour atteindre l’étoile la plus proche,

1 million d’années pour traverser la Galaxie

S’il y a ~ 100 000 civilisations ET dans la galaxie, il faudrait encore :

~ 5000 ans pour atteindre la plus proche

→ distances trop grandes, voyages trop longs !



2. Faible probabilité de vie intelligente

• La vie semble apparaître assez facilement quand les conditions sont remplies

• Mais il faut peut-être des conditions très spéciales pour que survienne l’intelligence (= pour qu’elle soit un facteur favorable dans la sélection naturelle)

• Sur Terre, il a fallu plus de 2 milliards d’années pour que la vie passe du stade unicellulaire à un stade plus complexe !

→ l’Univers fourmille de vie, mais pas d’intelligence

Et sur Terre ? …



3. Faible durée de vie des civilisations technologiques

• Darwin : les espèces les mieux adaptées survivent

• Dans un 1er temps, l’intelligence a été un facteur favorable à la survie de l’espèce humaine sur Terre

• Mais, à partir d’un certain stade, l’humain est devenu son propre ennemi, et de loin le plus dangereux

→ comment va jouer la sélection naturelle ?

→ extrapolation :

Les civilisations technologiques ne survivent pas suffisamment longtemps pour coloniser la Galaxie


« Morale » de tout ceci :

Nous n’avons qu’une Terre et nous ne sommes probablement pas prêts d’en avoir d’autres

→ à nous d’en prendre bien soin

Fin du chapitre…

La vie dans l’Univers

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