Les ingrédients de la vie sont disséminés dans l’ensemble de l’univers. Si la Terre est le seul endroit connu de l’univers où la vie est présente, la détection de la vie au-delà de la Terre est un objectif majeur de l’astronomie moderne et de la science planétaire.

Nous sommes deux scientifiques à étudier les exoplanètes et l’astrobiologie. Grâce en grande partie aux télescopes de nouvelle génération comme le James Webb, des chercheurs comme nous seront bientôt en mesure de mesurer la composition chimique des atmosphères des planètes autour d’autres étoiles. L’espoir est qu’une ou plusieurs de ces planètes présentent une signature chimique de la vie.

Nous sommes deux scientifiques étudiant les exoplanètes et l’astrobiologie. Grâce en grande partie aux télescopes de nouvelle génération comme le James Webb, des chercheurs comme nous seront bientôt en mesure de mesurer la composition chimique des atmosphères des planètes autour d’autres étoiles. L’espoir est qu’une ou plusieurs de ces planètes présentent une signature chimique de la vie.

Exoplanètes habitables

La vie pourrait exister dans le système solaire là où il y a de l’eau liquide, comme dans les aquifères souterrains de Mars ou dans les océans d’Europe, la lune de Jupiter. Cependant, la recherche de la vie dans ces endroits est incroyablement difficile, car ils sont difficiles à atteindre et la détection de la vie nécessiterait l’envoi d’une sonde pour ramener des échantillons physiques.

De nombreux astronomes pensent qu’il y a de fortes chances que la vie existe sur des planètes orbitant autour d’autres étoiles, et il est possible que ce soit là que l’on trouve la vie pour la première fois.

Les calculs théoriques suggèrent qu’il existe environ 300 millions de planètes potentiellement habitables dans la seule galaxie de la Voie lactée et plusieurs planètes habitables de la taille de la Terre à seulement 30 années-lumière de celle-ci – essentiellement les voisins galactiques de l’humanité. Jusqu’à présent, les astronomes ont découvert plus de 5 000 exoplanètes, dont des centaines de planètes potentiellement habitables, en utilisant des méthodes indirectes qui mesurent l’influence d’une planète sur son étoile proche. Ces mesures peuvent donner aux astronomes des informations sur la masse et la taille d’une exoplanète, mais pas beaucoup plus.

À la recherche de biosignatures

Pour détecter la vie sur une planète lointaine, les astrobiologistes vont étudier la lumière des étoiles qui a interagi avec la surface ou l’atmosphère de la planète. Si l’atmosphère ou la surface a été transformée par la vie, la lumière peut porter un indice, appelé « biosignature ».

Pendant la première moitié de son existence, la Terre a possédé une atmosphère sans oxygène, même si elle a accueilli une vie simple et unicellulaire. La biosignature de la Terre était très faible au cours de cette première époque. Cela a changé brusquement il y a 2,4 milliards d’années lorsqu’une nouvelle famille d’algues a évolué. Ces algues utilisaient un processus de photosynthèse qui produisait de l’oxygène libre, c’est-à-dire de l’oxygène qui n’était pas chimiquement lié à un autre élément. Depuis lors, l’atmosphère terrestre remplie d’oxygène a laissé une biosignature forte et facilement détectable sur la lumière qui la traverse.

Lorsque la lumière rebondit sur la surface d’un matériau ou traverse un gaz, certaines longueurs d’onde de la lumière sont plus susceptibles de rester piégées dans le gaz ou la surface du matériau que d’autres. Ce piégeage sélectif des longueurs d’onde de la lumière explique pourquoi les objets sont de couleurs différentes. Les feuilles sont vertes parce que la chlorophylle est particulièrement efficace pour absorber la lumière dans les longueurs d’onde rouge et bleue. Lorsque la lumière frappe une feuille, les longueurs d’onde rouges et bleues sont absorbées, ce qui laisse une lumière essentiellement verte qui rebondit dans vos yeux.

Le schéma de la lumière manquante est déterminé par la composition spécifique du matériau avec lequel la lumière interagit. Pour cette raison, les astronomes peuvent apprendre quelque chose sur la composition de l’atmosphère ou de la surface d’une exoplanète en mesurant essentiellement la couleur spécifique de la lumière provenant d’une planète.

Cette méthode peut être utilisée pour reconnaître la présence de certains gaz atmosphériques associés à la vie – comme l’oxygène ou le méthane – car ces gaz laissent des signatures très spécifiques dans la lumière. Elle pourrait également être utilisée pour détecter des couleurs particulières à la surface d’une planète. Sur Terre, par exemple, la chlorophylle et d’autres pigments utilisés par les plantes et les algues pour la photosynthèse captent des longueurs d’onde spécifiques de la lumière. Ces pigments produisent des couleurs caractéristiques qui peuvent être détectées à l’aide d’une caméra infrarouge sensible. Si vous deviez voir cette couleur se refléter sur la surface d’une planète lointaine, cela signifierait potentiellement la présence de chlorophylle.

Télescopes dans l’espace et sur Terre

Il faut un télescope incroyablement puissant pour détecter ces changements subtils dans la lumière provenant d’une exoplanète potentiellement habitable. Pour l’instant, le seul télescope capable d’un tel exploit est le nouveau télescope spatial James Webb. Lorsqu’il a débuté ses opérations scientifiques en juillet 2022, James Webb a relevé le spectre de l’exoplanète géante gazeuse WASP-96b. Le spectre a montré la présence d’eau et de nuages, mais une planète aussi grande et chaude que WASP-96b a peu de chances d’accueillir la vie.

Toutefois, ces premières données montrent que James Webb est capable de détecter de faibles signatures chimiques dans la lumière provenant d’exoplanètes. Dans les mois à venir, Webb devrait tourner ses miroirs vers TRAPPIST-1e, une planète de taille terrestre potentiellement habitable située à seulement 39 années-lumière de la Terre.

Webb peut rechercher des biosignatures en étudiant les planètes lorsqu’elles passent devant leur étoile hôte et en capturant la lumière des étoiles qui filtre à travers l’atmosphère de la planète. Mais Webb n’a pas été conçu pour rechercher la vie, de sorte que le télescope ne peut examiner que quelques-uns des mondes potentiellement habitables les plus proches. Il ne peut également détecter que les changements dans les niveaux atmosphériques de dioxyde de carbone, de méthane et de vapeur d’eau. Si certaines combinaisons de ces gaz peuvent suggérer la vie, James Webb n’est pas en mesure de détecter la présence d’oxygène non lié, qui est le signal le plus fort pour la vie.

Les concepts de pointe pour les futurs télescopes spatiaux, encore plus puissants, prévoient de bloquer la lumière vive de l’étoile hôte d’une planète pour révéler la lumière des étoiles réfléchie par la planète. Cette idée est similaire à l’utilisation de votre main pour bloquer la lumière du soleil afin de mieux voir quelque chose au loin. Les futurs télescopes spatiaux pourraient utiliser de petits masques internes ou de grands vaisseaux spatiaux externes en forme de parapluie pour réaliser cette opération. Une fois la lumière des étoiles bloquée, il devient beaucoup plus facile d’étudier la lumière qui rebondit sur une planète.

Il existe également trois énormes télescopes terrestres en cours de construction qui seront en mesure de rechercher des biosignatures : le Télescope géant de Magellan, le Télescope de Trente Mètres et le Télescope géant européen. Chacun de ces télescopes est bien plus puissant que les télescopes existants sur Terre et, malgré le handicap de l’atmosphère terrestre qui déforme la lumière des étoiles, ces télescopes pourraient être en mesure de sonder l’atmosphère des mondes les plus proches à la recherche d’oxygène.

S’agit-il de biologie ou de géologie ?

Même en utilisant les télescopes les plus puissants des prochaines décennies, les astrobiologistes ne pourront détecter que de fortes biosignatures produites par des mondes qui ont été complètement transformés par la vie.

Malheureusement, la plupart des gaz libérés par la vie terrestre peuvent également être produits par des processus non biologiques – les vaches et les volcans libèrent tous deux du méthane. La photosynthèse produit de l’oxygène, mais la lumière du soleil en produit aussi, lorsqu’elle divise les molécules d’eau en oxygène et en hydrogène. Il est fort probable que les astronomes détectent quelques faux positifs lorsqu’ils cherchent de la vie à distance. Pour écarter les faux positifs, les astronomes devront comprendre une planète d’intérêt suffisamment bien pour savoir si ses processus géologiques ou atmosphériques pourraient imiter une biosignature.

La prochaine génération d’études d’exoplanètes a le potentiel de passer la barre des preuves exceptionnelles nécessaires pour prouver l’existence de la vie. Les premières données publiées par le télescope spatial James Webb nous donnent une idée des progrès passionnants qui seront bientôt réalisés.

Article initialement paru en anglais dans The Conversation, traduction par Science infuse

Image d’en-tête : dessin original de CB – Tous droits réservés Science infuse

Pour aller plus loin

Image d’en-tête : issue du James Webb Space Telescope – Credits: NASA, ESA, CSA, STScI

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Cela se passe dans la constellation du Sculpteur. La grosse galaxie rose mouchetée, objet principal à droite de cette image a heurté violemment une petite galaxie toujours existante mais non visible sur l’image du télescope James Webb. Le « petit » anneau central clair et brillant ressemble au moyeu de cette roue de chariot, large et volumineux anneau externe pour sa part très coloré.

Ce choc très violent est à l’origine de nouvelles étoiles en formation dans des « pouponnières » d’étoiles de poussière bleue dans l’anneau extérieur très actif.

Sur la gauche, on observe deux galaxies spirale dites « compagnes » d’environ la même taille, qui semble elle-même observer cette roue de chariot, qui ressemble à un beignet crémeux aussi, ne trouvez-vous pas ? C’est en tout cas cette évocation gourmande qui a inspiré notre graphiste qui a planché sur le sujet.

Les collisions galactiques provoquent une cascade d’événements variés, a expliqué la NASA, en voici le résumé :

La collision a notamment affecté la forme et la structure de la galaxie. Les deux anneaux interne et externe s’étendent vers l’extérieur à partir du centre de la collision, comme les rides d’un étang après qu’une pierre y ait été jetée. En raison de ces caractéristiques distinctives, les astronomes appellent cette galaxie une « galaxie annulaire », une structure moins courante que les galaxies spirales comme notre Voie lactée.

L’anneau extérieur, qui s’est étendu pendant environ 440 millions d’années, est dominé par la formation d’étoiles et de supernovas. En s’étendant, cet anneau s’enfonce dans le gaz environnant et déclenche la formation d’étoiles.

L’infrarouge comme révélateur de secrets bien gardés

La galaxie de la Roue de chariot, spectaculaire a été entourée de mystère malgré que déjà bien observée notamment avec le télescope Hubble. James Webb, grâce à sa capacité de détection de la lumière infrarouge, permet maintenant de mieux comprendre la nature de la Roue de chariot.

La caméra proche infrarouge (NIRCam), l’imageur principal de Webb, regarde dans la gamme du proche infrarouge de 0,6 à 5 microns, voyant des longueurs d’onde cruciales de lumière qui peuvent révéler encore plus d’étoiles que celles observées en lumière visible. En effet, les jeunes étoiles, dont beaucoup se forment dans l’anneau extérieur, sont moins obscurcies par la présence de poussière lorsqu’elles sont observées en lumière infrarouge. Sur la première image ci-dessus, les données NIRCam sont colorées en bleu, orange et jaune. La galaxie présente de nombreux points bleus individuels, qui sont des étoiles individuelles ou des poches de formation d’étoiles. NIRCam révèle également la différence entre la distribution ou la forme lisse des populations d’étoiles plus anciennes et de la poussière dense dans le noyau, par rapport aux formes agglutinées associées aux populations d’étoiles plus jeunes à l’extérieur de celui-ci.

La galaxie de la Roue de chariot avec l’instrument MIRI

Pour obtenir des détails plus précis sur la poussière qui habite la galaxie, il faut toutefois utiliser l’instrument MIRI (Mid-Infrared Instrument) de Webb. Les données MIRI sont colorées en rouge sur cette image composite. Elles révèlent des régions au sein de la galaxie de la Roue de chariot riches en hydrocarbures et autres composés chimiques, ainsi qu’en poussière de silicate, comme une grande partie de la poussière sur Terre. Ces régions forment une série de rayons en spirale qui constituent essentiellement le squelette de la galaxie. Ces rayons sont évidents dans les observations précédentes de Hubble publiées en 2018, mais ils deviennent beaucoup plus proéminents dans cette image de James Webb.

JWST vs Hubble : et la lumière fût

La NASA nous propose une animation simple ci-dessous pour comparer l’image fournie par le télescope Hubble en lumière visible, et celle fournie par le JWST dans l’infrarouge. Elle indique que c’est très complémentaire, nous on trouve que c’est comme si l’on avait trouvé un interrupteur dans un coin du cosmos pour éclairer ces beaux objets célestes :

Les observations de Webb soulignent que galaxie de la Roue de chariot est dans un stade très transitoire. La galaxie, qui était vraisemblablement une galaxie spirale normale comme la Voie lactée avant sa collision, va continuer à se transformer. Si le télescope James Webb nous donne un aperçu de l’état actuel de la roue, il nous permet également de comprendre ce qui est arrivé à cette galaxie dans le passé et comment elle évoluera à l’avenir.

Image d’en-tête : dessin original de CB – Tous droits réservés Science infuse

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Les amas de galaxies comme SMACS 0723 objet de l’image peuvent agir comme une lentille cosmique naturelle, grossissant par gravité la lumière provenant d’objets plus éloignés. C’est ainsi que les scientifiques de la NASA qui ont conçu le télescope spatial James Webb ont prédit dès l’origine que vu sa puissance, il pourrait être en mesure de détecter la lumière des premières étoiles de l’univers si elles sont l’objet d’une lentille gravitationnelle formée par de tels amas galactiques.

Lorsque cela se produit, la lumière des galaxies lointaines arrivant sur l’amas de galaxies objet de la prise d’image par le télescope est littéralement déviée, courbée et grossie par l’amas de galaxies. Après, la puissance d’une lentille gravitationnelle varie selon les caractéristiques des amas et la position de l’étoile lointaine et de la lentille. Dans les cas classiques, le grossissement obtenu est de 10 à 20 fois. Une plage de facteur de multiplication insuffisant pour que James Webb puisse rendre visible des étoiles de « première génération » générées immédiatement suite au Big bang.
L’alignement de l’étoile lointaine que l’on cherche à observer via l’amas de galaxies observé par le télescope est un facteur essentiel : dans le cas d’un alignement parfait, on peut potentiellement espérer un grossissement de facteur 10 000 ! Il y a malheureusement peu de chances que cela se produise, mais ce n’est pas exclu non plus.

Courbure de l’espace-temps et géodésiques

Ainsi, un astre massif courbe l’espace-temps, selon les lois de la relativité générale. La lumière, suivant toujours le chemin le plus court, suit les géodésiques dans l’espace-temps qui ne sont plus des lignes droites, et est donc déviée par le champ gravitationnel.

Le principe est donc bien différent de celui des lentilles physiques, puisque la déflexion des rayons lumineux est maximale au plus près du centre de la lentille gravitationnelle, d’où la recherche d’alignement.

Les diagrammes suivants illustrent comment les rayons lumineux d’une galaxie ou d’une étoile lointaine (à gauche), peuvent être courbés par la gravité d’un amas de galaxies intermédiaire par rapport à l’observateur, ici sur la Terre ou environs, à droite. En conséquence, l’observateur voit l’objet lointain apparaître plus lumineux qu’il ne le serait s’il n’était pas soumis à une lentille gravitationnelle.

C’est pourquoi les scientifiques espèrent que James Webb pourra parvenir à observer une étoile lointaine grossie appartenant aux étoiles de population III, c’est-à-dire des étoiles formées à partir du mélange primordial d’hydrogène et d’hélium provenant de l’univers primitif. Un autre problème est que les premières étoiles, si elles ont été massives, étaient également éphémères (quelques millions d’années avant explosion pour former des supernovas) or l’alignement recherché a plus de chances d’avoir lieu si la brillance de l’étoile à observer perdure;

Ils espèrent de la même façon pouvoir observer un disque d’accrétion des premiers trous noirs, ces structures qui naissent de la mort d’une étoile massive, dont nous avons eu récemment les images pour deux trous noirs celui de notre Voie lactée et ce lui d’une galaxie proche. Les trous noirs sont moins éphémères ce qui donne des espoirs d’observation par lentille gravitationnelle.

Un long travail d’observation patiente se prépare donc, pour les astronomes pendant toute la durée de vie de James Webb, en ciblant une sélection d’amas de galaxies susceptibles de donner un jour un alignement permettant le grossissement suffisant d’étoiles ou de trous noirs très lointains pour nous rapprocher de cette quête des alentours du Big bang.

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Pour remettre en perspective, si cette image est la plus profonde de l’univers jamais obtenue, il ne s’agit jamais que d’une infime partie du cosmos équivalent selon les scientifiques à un grain de sable porté à bout de brase par une personne. L’animation suivante propose de dézoomer de SMACS 0723 pour prendre un peu la mesure…

Rappelons ensuite que James Webb est positionné à 1, 5 millions de kilomètre de la Terre et que cet amas de galaxies SMAC 0723 nous est montré par James Webb tel qu’il était il y a 4,6 milliards d’années. Et c’est bien pour cela que plus un télescope voit loin, plus il remonte le temps… et bien sûr un rêve serait de pouvoir remonter jusqu’au big-bang originel estimé avoir eu lieu à environ 13,8 milliards d’années. On observe donc avec Webb une image en champ profond de l’univers jeune.

Hubble vs James Webb

La différence est saisissante avec Hubble qui a été détrôné par Webb. On peut voir avec beaucoup de détails de nombreuses galaxies. Ici un détail de l’image comparé à ce que Hubble a fourni pour SMACS 0723. C’est comme si on allumait la lumière dans une pièce en semi-obscurité.

Hier soir, beaucoup d’internautes ont fait par de leur enthousiasme en scrutant l’image de James Webb,

Envie de zoomer ?

Vous trouverez ici le moyen de le faire pour explorer l’image et vous aussi, repérer vos galaxies préférées

Voici l’une de nos sélections avec un bas un drôle de « smiley 3D aux yeux vairons » et pour ne rien gâcher en haut à droite deux belles galaxies dont celle de gauche au noyau central étonnant :

Lentille gravitationnelle

La NASA fournit des explications bien utiles sur cette image historique réalisée dans l’infrarouge proche, pour mieux la comprendre.

Ce champ profond, pris par la caméra proche infrarouge de Webb (NIRCam), est un composite réalisé à partir d’images à différentes longueurs d’onde, totalisant 12,5 heures – atteignant des profondeurs aux longueurs d’onde infrarouges au-delà des champs les plus profonds du télescope spatial Hubble, qui prenaient des semaines.

L’image montre l’amas de galaxies SMACS 0723 tel qu’il est apparu il y a 4,6 milliards d’années. La masse combinée de cet amas de galaxies agit comme une lentille gravitationnelle, magnifiant des galaxies beaucoup plus lointaines derrière lui. La caméra NIRCam de Webb a mis en évidence ces galaxies lointaines, qui présentent des structures minuscules et peu lumineuses jamais observées auparavant, notamment des amas d’étoiles et des éléments diffus. Les chercheurs commenceront bientôt à en savoir plus sur la masse, l’âge, l’histoire et la composition de ces galaxies, car Webb est bien évidemment à la recherche des galaxies les plus anciennes de l’univers, dans cet espoir de se rapprocher au maximum de l’instant originel.

Le phénomène de lentille gravitationnelle provoque des déformations sur l’image, en forme d’arcs bien visible, et la lumière de ces ars provient des galaxies bien plus lointaines à…. 13 milliards d’années lumière dont à quelques centaines de milliers d’années du Big-bang ! Quant aux objets très lumineux avec 6 branches, ce sont des étoiles en avant-plan, faisant partie de notre galaxie la Voie lactée.
C’est là qu’on comprend pourquoi cette image donne une vision d’une profondeur inégalée, d’aujourd’hui sur Terre quasiment aux origines de l’univers…. mais pas tout à fait.

Vivement la suite avec James !

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Cette image a été produite à l’aide de 72 expositions réalisées sur une durée de 32 heures, ce qui donne l’une des images les plus profondes jamais réalisées de l’univers, ont expliqué les scientifiques de James Webb.

Dans quelques jours, la NASA publiera les premières images en couleur et en très haute résolution de James Webb.

À l’occasion de la publication de cette image test, la NASA a voulu mettre à l’honneur le détecteur de guidage fin (Fine Guidance Sensor, FGS) du télescope, développé par l’Agence de l’Espace du Canada.

Les scientifiques de la NASA commentent l’image test ainsi :

Les étoiles brillantes se distinguent par leurs six longues pointes de diffraction bien définies, un effet dû aux segments de miroir à six côtés de James Webb. Au-delà des étoiles, les galaxies occupent la quasi-totalité de l’arrière-plan.
« Le centre des étoiles brillantes apparaît en noir parce qu’il sature les détecteurs de Webb, et le pointage du télescope n’a pas changé au cours des expositions pour capturer le centre à partir de différents pixels dans les détecteurs de la caméra. Le chevauchement des images des différentes expositions est également visible sur les bords et dans les coins de l’image. »

Jane Rigby, un responsable des opérations de James Webb de la NASA nous révèle que « les taches les plus ténues de cette image sont exactement les types de galaxies ténues que Webb étudiera au cours de sa première année d’activités scientifiques ».

En position ouverte, « le FGS n’utilise pas de filtres de couleur comme les autres instruments scientifiques – ce qui signifie qu’il est impossible d’étudier l’âge des galaxies dans cette image avec la rigueur nécessaire à une analyse scientifique. Mais même en capturant des images non planifiées pendant un test, le FGS est capable de produire des vues étonnantes du cosmos. »

On ne peut qu’acquiescer.

D’autant que le scientifique Neil Rowlands, responsable du programme de guidage fin de James Webb, a avoué que le télescope produisait des images de meilleure qualité que prévu !

Le télescope James Webb va, de l’avis des scientifiques, permettre « des découvertes révolutionnaires sur les étoiles, les exoplanètes, les galaxies et même les cibles mobiles au sein de notre système solaire. »

Alors rendez-vous le 12 juillet pour les premières images couleur pris par le puissant télescope !

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