Production TPE Florine & Aimie

aimiehy

SCIENCE&TPE

Hors-série

Numéro spécial

exoplanètes

Découverte d'une

toute nouvelle

exoplanète potentiellement

habitable

Bientôt plus de vie

possible sur Terre ?

Témoignage de Stephen

Hawking

Dossier

Les

méthodes de détection

des exoplanètes

L'humanité

pourrait-

elle vivre

Comment savoir si une

exoplanète peut

potentiellement abriter la

vie ?

sur LHS

1140b ?

1

Février 2018


Science&TPE

Hors-série n°1 – Spécial exoplanètes

Février 2018

■ Rédacteurs en chef :

Florine & Aimie – 1SE

TPE 1ères S

2


Sommaire + Édito

Édito

Bienvenue dans ce numéro hors-série du magazine «Science&Tpe » !

Depuis des temps immémoriaux, nos connaissances en astronomie sont

de plus en plus vastes. Aujourd'hui, il est désormais possible de

détecter des exoplanètes et de savoir si elles sont potentiellement

habitables. Certaines raisons pourraient un jour pousser l'humanité à

rechercher de nouveaux lieus de vie, c'est pourquoi dans ce numéro nous

vous proposons de vous envoler dans cet Univers si grand et si

inconnu, et de partir à la découverte des exoplanètes ! Vous

découvrirez comment celles-ci sont détectées, et dans quelle mesure

l'humanité pourrait y vivre !

Sur ce, nous vous souhaitons une excellente lecture !

Les rédacteurs de « Science&Tpe »

Sommaire

Édito + sommaire

Introduction :

- Article : bientôt plus de vie possible sur

Terre ?

- Les exoplanètes : qui sont t-elles ?

Découverte de LHS 1140b : une nouvelle

cible très prometteuse

Dossier complet : les méthodes de détection

des exoplanètes

- Les deux principales méthodes

- L'expérience du mois

Étude de cas : vivre sur LHS 1140b ?

- Les conditions nécessaires à la vie

Article : une future colonisation ?

3

4 à 5

6

8 à 18

19 à 27

28

3


numéro spécial

A la recherche des

exoplanètes

habitables

Et si l'Homme était un jour obligé de

quitter la Terre pour survivre ?

Cela paraît impensable. Et pourtant, c'est

ce qu'a annoncé le grand cosmologiste

britannique Stephen Hawking, dans une

vidéo présentée à Pékin le 5 novembre

dernier. C'est pourquoi il devient

important de procéder à une exploration

interstellaire afin de nous trouver une

nouvelle maison. Cette quête est difficile

et prend en compte de nombreux critères,

mais semblerait qu'une planète,

découverte l'année dernière, soit l'une des

meilleures candidates pour nous accueillir.

Enquête sur la chasse aux exoplanètes,

aussi complexe que fascinante.

Alerte rouge pour

la planète bleue

On le sait, les hommes détruisent peu à peu

l'environnement et abîment la Terre. Mais selon les

scientifiques, la situation est bien plus critique que ce

que l'on imagine. Le 13 novembre 2017, un article

alarmant paraissait dans la revue américaine

BioScience et dans le journal Le Monde. Il s'agit d'un

texte dans lequel 15 000 scientifiques du monde entier

expliquent que l'humanité doit réagir face à l'état actuel

de la planète. L'un des principaux enjeux est de limiter

au maximum le réchauffement climatique, qui est lié à

un taux de CO 2

atmosphérique jamais atteint

auparavant.

La surpopulation de la Terre devient également un

problème majeur : le démographe Hervé Le Bras

rappelle que « si l'ensemble de l'humanité mangeait

comme les Français, les ressources de la planète

permettraient de nourrir seulement 4 milliards

d'humains» . Or nous sommes actuellement 7,6

milliards sur Terre, et ce nombre est en constante

augmentation...

4


L'avis de Stephen Hawking, cosmologiste* britannique

Habitué des déclarations choc, Stephen Hawking affirme que

la Terre sera bientôt inhabitable.

« En l'an 2600, nous serons trop nombreux sur la Terre, et l'énorme

consommation d'électricité fera s'enflammer notre planète. » a-t-il dit dans

une vidéo au Tencent WE Summit à Pékin.

Quelques jours avant, il avait déclaré au Daily Telegraph :

« La survie de la race humaine sera menacée tant qu'elle restera concentrée

dans sa totalité sur une seule planète. (...) Lorsque nous aurons pu créer des

colonies autonomes dans l'espace lointain, notre devenir sera assuré. Mais des

conditions similaires à celles que nous connaissons sur Terre n'existant nulle

part dans notre Système solaire, il nous faudra nécessairement rejoindre une

planète extrasolaire. »

Une autre quête : celle

de la présence de vie

ailleurs

L'existence de la vie

extraterrestre fait depuis très

longtemps l'objet de nombreux

questionnements et hypothèses.

Bien que certains phénomènes

étranges soient inexpliqués,

nous n'avons encore jamais eu

de preuve que nous ne sommes

pas seuls dans l'Univers. Cette

idée n'est pourtant pas exclue.

En effet, en cherchant des

planètes habitables, on

s'intéresse aussi à celles qui

pourraient être déjà habitées.

2017, une année charnière

Au mois de février 2017, la NASA

annonce la découverte de sept

exoplanètes orbitant autour de l'étoile

Trappist-1, à une quarantaine

d'années-lumière de la Terre. D 'après

l'exploitation des données recueillies

par les télescopes, trois d'entre elles

seraient potentiellement habitables.

L'année 2017 a été marquée par la

découverte d'autres exoplanètes

autour de différentes étoiles. Parmi

elles, NGTS-1b, qui est la première

planète découverte grâce au

programme de recherche Next-

Generation Transit Survey, lancé au

Chili en 2015.

Vingt ans de traque

incessante

La recherche d'une planète

habitable a commencé par

l'étude des astres du Système

solaire. Mais il s'avère que la

Terre est la seule planète à se

trouver à une distance idéale

du Soleil pour que nous

survivions. Il fallait donc

chercher beaucoup plus loin.

Ce n'est qu'en octobre 1995

que la première exoplanète –

51 Pégasi b – est détectée,

grâce aux progrès

technologiques des télescopes

et du traitement d'image. Elle

est observée pour la première

fois à l'observatoire de Haute-

Provence par

Lexique

une équipe d’astrophysiciens,

dirigée par Michel Mayor et

Didier Queloz. Le terme

d' «exoplanète»

est

officiellement enregistré dans le

dictionnaire français en 1998.

Depuis une vingtaine d'année,

la précision des instruments de

détection

s'améliore

continuellement, permettant

ainsi la recherche de planètes

toujours plus lointaines.

À ce jour, 3 000 exoplanètes

ont été officiellement

découvertes, dont certaines

pourraient abriter la vie.

- Cosmologie: science qui étudie la nature, la

structure et l'évolution de l'Univers

nasa.gov

5


Article : découverte de LHS 1140b

LHS 1140b :

une nouvelle cible très prometteuse

Deux mois après la découverte des planètes de

Trappist-1, l'histoire des exoplanète continue.

Une nouvelle fois, la précision des vitesses radiales

obtenues grâce au télescope HARPS a permis de

mettre en évidence une planète très lointaine.

Celle-ci fait partie d'un système planétaire* situé à 40

années-lumière de la Terre. Ce dernier est composé

de deux éléments seulement : l'étoile LHS 1140 et sa

planète, baptisée LHS 1140b.

Pour les scientifiques, cette découverte est très

importante.

« Une cible plus

importante encore

que Proxima-b ou

Trappist-1 »

Xavier Delfosse , de

l'Observatoire des Sciences

de l'Univers de Grenoble

Grâce aux données recueillies par les

télescopes, les scientifiques estiment que

LHS 1140b possède une masse environ 6

fois supérieure à celle de la Terre et un

rayon presque une fois et demi plus

important. Cela leur permet d'affirmer

que la planète est rocheuse, alors que le

doute subsiste pour les autres planètes

en zone habitable détectées jusqu'ici.

Toutes ces caractéristiques font d'elle

une « superTerre ».

« Cette exoplanète est la

plus enthousiasmante de

celles que j'ai observées au

cours des dix dernières

années »

Jason Dittmann,

Centre astronomique Harvard-Smithson

(États-Unis)

L'observation des transits de la planète devant son étoile a montré

qu'elle met 25 jours pour faire le tour de celle-ci.

La distance les séparant est 10 fois plus petite que la distance entre la

Terre et le Soleil. Et pourtant, cette exoplanète se trouve dans la zone

habitable de son étoile*. Cela s'explique par le fait que cette dernière

soit de type naine rouge, c'est à dire qu'elle a une masse assez faible

et que sa température est peu élevée.

Elle est aussi peu active, ce qui fait que la planète n'est pas atteinte par

des vents stellaires* violents susceptibles d'arracher une éventuelle

atmosphère.

Une dernière hypothèse va en faveur de la présence de vie sur LHS

1140b : la planète aurait été recouverte d'un océan de magma durant

plusieurs millions d'années, qui aurait enrichi l'atmosphère (si elle

existe) en vapeur d'eau. Cette dernière se serait ensuite condensée

en eau liquide en surface.

Lexique

- Système planétaire : ensemble composé de

planètes et autres corps célestes orbitant autour 6

d'une étoile.

- Vents stellaires : particules de matière

expulsées dans l’espace par l’étoile. 6


Dossier : les méthodes de détection des exoplanètes

Dossier

Les exoplanètes :

comment peut-on

connaître leur

existence ?

Pour trouver des exoplanètes sur lesquelles

l’humanité pourrait vivre, il faut tout d’abord pouvoir

détecter ces exoplanètes depuis la Terre, et prouver

leur existence. Pour cela, plusieurs méthodes

existent à ce jour, mais deux d’entre elles sont

prépondérantes : la méthode des vitesses radiales

ainsi que la méthode des transits.

7


Dossier : les méthodes de détection des exoplanètes

La méthode des vitesses radiales

La méthode des

vitesses radiales est une

méthode très efficace et

très utilisée dans la

détection d'exoplanètes,

et a permis d'en mettre en

évidence plus de 500. Elle

est notamment la

première méthode a avoir

permis la découverte

d'une exoplanète autour

d'une étoile de type

solaire en 1995. Elle a

très longtemps été la

méthode la plus utilisée,

et bien qu’aujourd’hui de

nombreuses autres

méthodes sont apparues,

2/3 des exoplanètes

découvertes à ce jour l'ont

tout de même été par la

méthode des

vitesses radiales.

Cette méthode

s’appuie sur les

modifications qu'

une exoplanète

apporte au mouvement

de son étoile en

observant, depuis la

Terre, la lumière qu'elle

émet. En effet, s'il existe

une exoplanète orbitant

autour d'une étoile, alors

Une méthode

ayant détecté

les 2/3 des

exoplanètes !

http://exoplanetes-lombards.eklablog.com

la force gravitationnelle

attractive exercée par

l’étoile sur sa planète

est de même exercée

sur l’étoile par la

planète. Cette

force est d'

autant plus

importante que

la masse de

l'astre est grande.

Ainsi, l’étoile,

également attirée par

la planète gravitant

autour d’elle, produit

un léger mouvement

circulaire. Bien sûr,

cette force est

extrêmement faible

étant donné que l’étoile

est bien plus massive

que sa planète. Pour

mettre en évidence ce

mouvement, on

observe, à l'aide d'un

spectrographe, le

spectre de raies

d'absorption de l'étoile

(voir encadré page 10).

Comme vous l’avez

appris dans notre Horssérie

n°1123 traitant 8du

secret des radiations

8


Dossier : les méthodes de détection des exoplanètes

lumineuses, sur Terre,

grâce aux rayons

lumineux qui nous

parviennent, nous

sommes en mesure

d’obtenir le spectre de

raies d’une étoile. Or,

quand il y a présence

d’une exoplanète

soumise à la force de

gravitation de son

étoile, on observe un

léger déplacement des

raies sur le spectre de

cette étoile : lorsque

l’étoile se rapproche de

nous, son spectre se

décale légèrement vers

le bleu, et lorsqu’elle

s’éloigne, il revient vers

le rouge. Il est donc

possible de détecter la

présence d’une

exoplanète en

observant ce décalage.

Ce phénomène

s'appelle l'effet

Doppler-Fizeau (voir

encadré page 11), du

nom des physiciens qui

l'ont mis en évidence

dans les années 1840.

Le spectrographe Espresso, un nouvel

instrument d'observation astronomique

Dans le cas de l'étoile,

cet effet se traduit par

un déplacement des

raies d'absorption au

cours du temps.

C'est après observation

de ce décalage

qu'intervient la notion

de vitesse radiale. Il

s'agit de la vitesse de

l'étoile mesurée dans la

direction du regard de

l'observateur de celleci,

et désigne donc la

vitesse d'éloignement

de l'étoile par rapport à

la Terre, c'est pourquoi

il est impératif que

letemps.ch

l'éventuelle planète se

trouve parfaitement

alignée entre son étoile

et le point

d'observation, c'est-àdire

sur Terre. En

mesurant le décalage

des raies spectrales à

un instant t, on

détermine la vitesse

radiale de l'étoile à ce

même instant. On peut

ensuite tracer une

courbe de variations de

la vitesse radiale au

cours du temps. Les

spectrographes actuels

tels que Espresso,

Spectre de raies d'absorption

Chacun des gaz contenus dans l'atmosphère de l'étoile absorbe certaines longueurs

d'onde de la lumière qui le traverse. On observe alors sur le spectre des raies noires sur

un fond coloré.

Spectre

d'absorption du

cadmium

9

9


Dossier : les méthodes de détection des exoplanètes

installé au nord du Chili,

permettent de mesurer

des vitesses d’objets

célestes avec une

précision incroyable : de

l’ordre du décimètre par

seconde !

En exploitant la courbe

obtenue et à l'aide d'une

formule mathématique,

on obtient la période de

rotation* de l'étoile.

A partir de là, il est

possible de trouver des

informations sur la

planète orbitant autour

d'elle. Grâce aux

données connues, les

physiciens calculent la

distance séparant l'

L'effet Doppler-Fizeau : qu'est-ce ?

→L'effet Doppler, en général, désigne le décalage

de la fréquence d'une onde lorsque l'émetteur

bouge par rapport au récepteur. On parle

d'effet Doppler-Fizeau lorsqu'il s'agit d'un décalage

d'ondes lumineuses.

étoile de sa planète et

aussi la masse de

cette dernière.

Inconvénient :

évidemment , la

méthode des vitesses

radiales ne peut

généralement détecter

la présence d’un autre

corps exerçant une force

sur sur l’étoile, que si

cette force produit

d’importantes

perturbations

gravitationnelles, soit

dans le cas de grosses

planètes assez proches

de leur étoile.

ÉTOILE

EXOPLANÈTEE

esep.pro

10

10


Dossier : les méthodes de détection des exoplanètes

La méthode en détails et en images...

Chaque gaz est capable d'absorber la lumière qui le traverse à des longueurs d'onde

bien précises. Nous allons, en prenant l'exemple du sodium gazeux, illustrer les

différentes étapes de la méthode des vitesses radiales.

Mise en évidence du déplacement des raies du spectre de l’étoile au

cours du temps

1

2

3

4

5

8

6

7

9

10

11

Spectres observés après le passage de la lumière dans du sodium gazeux

Les deux raies d’absorption les plus intenses, très facilement repérables, forment ce que

l’on appelle le doublet du sodium.

Comparaison de l’emplacement des raies d’absorption

Les longueurs d'onde du doublet du sodium, sans décalage Doppler,

sont λ Na1

=588,9950 nm et λ Na2

=589,5984 nm : ce sont celles que l’on observe à la date t=0.

On relève, pour chaque spectre, les deux longueurs d’onde d’absorption les plus intenses, que l’on

appellera λ1 et λ2.

(jours)

Courbe de l’intensité lumineuse en fonction de

la longueur d’onde pour le spectre 1.

Courbe correspondant au spectre 1, date 0

1 nm = 10 -9 m

11


Dossier : les méthodes de détection des exoplanètes

Détermination de l’évolution dans le temps de la vitesse radiale de

l’étoile

L’effet Doppler et la vitesse radiale sont liés par la relation :

On peut donc dresser un

tableau des variations de

vitesse radiale comme celuici,

en prenant garde à l’unité

de la vitesse radiale.

V E

étant la vitesse radiale, c la vitesse de la lumière dans le vide

soit 3,0x10 8 m/s.

Cette formule ne prend en compte qu'une seule raie, mais pour

des résultats très précis on utilise le plus de raies possibles.

Courbe de variations de la vitesse radiale:

Une vitesse radiale négative

signifie que l’étoile se rapproche

de l’observateur, et une vitesse

positive qu’elle s’éloigne de lui.

Des variations régulières et

périodiques prouvent alors

la présence d’une planète

Temps en jours

autour de l’étoile.

Détermination de quelques informations concernant la planète

A partir de la courbe ci-dessus, on peut trouver la période de rotation T de l’étoile autour du centre de

gravité du système “étoile+planète”.

Ensuite, on détermine la masse de la planète à l’aide d’un calcul utilisant : la période T obtenue

précédemment, la masse de l’étoile et l'amplitude de la courbe ci-dessus. Ainsi, pour la planète LHS

1140b, on a estimé une masse d'environ 3,6x10 25 kg, soit 6 fois supérieure à la masse de la Terre.

On obtient d'autres données par la deuxième méthode, celle des transits planétaires.

12


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Luminosité

Dossier : les méthodes de détection des exo-

planètes

La méthode des transits

a deuxième méthode de détection d’exoplanètes,

L la méthode des transits, est

utilisée en complémentarité avec celle des vitesses

radiales car elle permet de détecter une planète ayant

une masse trop faible pour influer son étoile.

Il s’agit d’une méthode

photométrique* : elle repose sur

l’observation, depuis la Terre, du

passage d’une exoplanète

devant son étoile grâce à l’étude

de la luminosité reçue. En effet,

lorsqu’une exoplanète passe

exactement entre la Terre et son

étoile lors de son orbite autour

de cette dernière, on observe

une baisse de luminosité

anormale reçue de l’étoile en

question. Comme pour les

vitesses radiales, l’observateur

doit se trouver presque

parfaitement aligné avec l’étoile

et la planète recherchée.

On observe l’étoile sur plusieurs

mois voire années. Si cette

diminution de luminosité se

produit de manière périodique,

alors on peut affirmer qu’une

planète tourne autour de cette

étoile.

Temps

NASA/Ames/JPL-Caltech, EPA

Le télescope

spatial Kepler,

lancé en 2009,

est l'un des

appareils les

plus précis pour

la méthode des

transits.

© Institute for Astronomy-University of Hawaï

Cette méthode permet également de donner des informations sur le rayon d’orbite de

l’exoplanète, c’est à dire la distance à son étoile et sa période de révolution. Pour LHS 1140b,

on estime qu'elle se trouve à environ 15 millions de km de son étoile, et qu'elle en fait le tour en

25 jours. Les données résultant des transits permettent aussi de déterminer son rayon.

En effet, plus la planète est grande, plus elle masque son étoile, donc

plus la baisse de luminosité reçue depuis la Terre est importante (voir

expérience pages suivantes).

C’est justement pour cela que cette méthode ne permet pas de

mettre en évidence des planètes très petites.

Si la planète possède une atmosphère, on peut même déterminer la

température et la composition de celle-ci.

Lexique

- Méthode photométrique :

En astronomie, la

photométrie désigne l'étude

des variation de l'intensité

lumineuse d'une étoile.

14


Dossier : les méthodes de détection des exoplanètes

L'expérience du mois :

Quels sont les facteurs qui influent sur le changement

de luminosité lors de la méthode des transits ?

Trois de ces facteurs semblent être la taille de la planète, la vitesse de révolution de celle-ci

ainsi que sa distance de son étoile. Comment démontrer cela ?

Voici notre méthode pour prouver l'existence de ces trois facteurs, il s'agit d'une expérience

que vous pouvez réaliser chez vous.

Liste du matériel nécessaire :

- Une lampe assez puissante

- Des balles de différentes tailles

- Une ficelle

- Un luxmètre

- Un objet pouvant servir de support pour le capteur du luxmètre

15


Dossier : les méthodes de détection des exoplanètes

2) La réalisation

1) La mise en place

Premièrement, des

objets ont été mis en

place de façon à

simuler la méthode

des transits. La

lampe représente

l'étoile, la balle

correspond à

l'exoplanète

gravitant autour, et

l'on imagine que le

luxmètre est placé

sur Terre. Comme

vous pouvez le voir

sur l'image cicontre,

le luxmètre,

la balle et la lampe

sont parfaitement

alignés.

Ensuite, il s'agit de faire se déplacer la planète grâce

à la ficelle et de prendre des mesures de la

luminosité à intervalles de temps réguliers. Ici, nous

avons choisi de prendre une mesure toutes les

secondes.Nous avons ensuite pris des mesures

suivant différents paramètres, pour ensuite pouvoir

les comparer deux par deux et pouvoir valider nos

hypothèses.

Pour la taille de l'exoplanète, nous avons utilisé une

grosse balle puis une très petite balle.

Pour la distance à son étoile, nous avons pris des

mesures de luminosité en éloignant la balle de la

lampe, puis en la rapprochant au maximum.

Pour la vitesse de révolution, nous avons fait se

déplacer la balle très rapidement, puis très

lentement.

Les écarts sont volontairement exagérés dans le but

de pouvoir obtenir des graphiques illustrant bien ces

différences, et donc pouvoir émettre les bonnes

conclusions.

3) L'observation des résultats de l'expérience

Pour finir, grâce aux mesures prises précédemment, nous allons construire des

graphiques qui vont pouvoir valider ou non nos hypothèses. Vous pouvez réaliser ces

graphiques à la main ou à l'aide d'un tableur. Voici les graphiques obtenus :

Grosse planète

Petite planète

20

15

10

5

0

0 1 2 3 4 5 6 7

Colonne B

/

20

15

10

5

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Colonne B

16

16


Dossier : les méthodes de détection des exoplanètes

Planète proche de son étoile

Planète éloignée de son étoile

20

15

10

5

0

0 1 2 3 4 5 6 7

Colonne B

/

20

15

10

5

0

0 1 2 3 4 5 6 7

Colonne B

Planète ayant une vitesse de

révolution lente

Planète ayant une vitesse de

révolution rapide

20

20

15

10

5

0

4 6 8 10 12 14

Colonne B

/

15

10

5

0

0 1 2 3 4 5

Colonne B

4) L'exploitation des résultats

Comme vous pouvez le remarquer, dans tous les cas, on observe une baisse de

luminosité lorsque la balle passe devant la lampe, ce qui confirme l'explication

précédente du principe de la méthode des transits.

Voici les observations que nous pouvons émettre en observant ces graphiques : - plus

la balle est grande, plus la baisse de luminosité est importante.

- plus la balle est éloignée de la lampe, plus la

baisse de luminosité est importante.

- plus la vitesse à laquelle la balle passe

devant la lampe est faible, plus la baisse de luminosité est importante.

Cela confirme l'hypothèse selon laquelle la luminosité reçue dépend de ces

paramètres. On peut donc en conclure que plus la planète sera grosse, plus elle sera

éloignée de son étoile et plus sa vitesse de révolution sera faible, plus la la différence

entre la luminosité reçue par l'étoile, et celle reçue lorsque l'exoplanète passe entre

celle-ci et la Terre sera élevée et au contraire, plus la planète sera petite, plus elle sera

proche de son étoile et plus sa vitesse de révolution sera élevée, plus la différence de

luminosité entre ces deux moments sera faible. La méthode des transits permet donc

non seulement de détecter la présence d'une exoplanète gravitant autour d'une étoile, 17

mais également de déterminer approximativement la taille, la vitesse de révolution

ainsi que sa distance de son étoile.

17


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Étude de cas : vivre sur LHS 1140b ?

Vivre sur

LHS 1140b

Quelles sont les

conditions de vie

requises pour qu’une

exoplanète puisse

abriter la vie ?

Parmi toutes les exoplanètes connues à ce jour, très

peu pourraient éventuellement abriter la vie. La seule

planète habitable connue à ce jour est la Terre. Celle-ci

est habitable car elle vérifie de nombreux critères, qui,

tous réunis, permettent à la vie de se former et de se

développer. Si LHS 1140b, l’exoplanète découverte

récemment, vérifie tous ces critères, il est possible

19

qu’elle puisse accueillir la vie.


Étude de cas : vivre sur LHS 1140b ?

L'eau liquide, l'élément indispensable

Ni trop près, ni trop loin de son étoile

Il existe autour de chaque étoile une zone dans

laquelle, en théorie, la température de surface des

planètes permet la présence d'eau liquide. Il s'agit de la

zone habitable (ou zone d'habitabilité) de l'étoile.

Les planètes se trouvant à l'intérieur de cette zone sont

surnommées “planètes Boucles d'or”.

Sa position dépend du type de l'étoile.

La zone habitable d'une naine jaune*, comme le Soleil, se situe approximativement entre 0,95 et

1,67 UA (unités astronomiques*) de celui-ci. La Terre est placée à la limite inférieure de celle du

Soleil, à 150 millions de km de celui-ci. La quantité d'énergie thermique reçue par la Terre permet

ainsi une température de surface propice au développement de la vie.

Pourquoi l'eau liquide ?

L'eau est un élément nécessaire à

l'apparition de la vie, mais il faut qu'elle

soit à l'état liquide.

En effet, les molécules d'un liquide ne

sont ni collées entre elles (comme dans

un solide) ni très dispersées (comme à

l'état gazeux). Ainsi elles peuvent

facilement se rencontrer. Des réactions

chimiques ont alors lieu et créent

d'autres molécules plus grandes qui sont

les molécules du vivant.

Pour ce qui est de l'étoile LHS 1140, sa

zone d'habitabilité est plus proche.

En effet, cette dernière est de type naine

rouge, c'est à dire qu'elle a une masse assez

faible et que sa température est peu élevée.

Sa zone d'habitabilité est donc située à une

distance comprise entre 0,1 et 0,6 UA.

De plus, elle se trouve actuellement dans

une phase évolutive très favorable, comme

l'explique Nicola Astudillo-Defru de

l'université de Genève: “LHS 1140 est

animée d'une rotation plus lente et émet un

rayonnement moins énergétique que

d'autres étoiles semblables de faible

masse”.

Molécule d'eau

20


Étude de cas : vivre sur LHS 1140b ?

L'état de l'eau dépend d'un autre facteur

que la température : il s'agit de la

pression atmosphérique, c'est à dire la

pression qu'exercent les gaz de

l'atmosphère sur n'importe quelle

surface en contact avec eux. Sur Terre,

elle en moyenne d'environ 1 bar*.

En observant le graphique ci-contre, on

peut justifier la présence d'eau liquide à

la surface de la Terre, sachant que la

température y est de 15°C en moyenne.

Les études menées sur LHS 1140b n'ont pas encre permis de repérer une atmosphère. L'utilisation

du télescope spatial Hubble, équipé de plusieurs spectrographes et d'un photomètre, devrait

permettre de savoir s'il y en a une.

Il faudra alors déterminer la pression atmosphérique avant d'envisager la présence d'eau liquide à

la surface de LHS 1140b.

Étant données les dimensions de la planète,

il est possible que LHS 1140b ait été

recouverte durant des millions d'années par

un océan de magma. Sa chaleur aurait pu

enrichir l'atmosphère (s'il y en a une) en

vapeur d'eau, qui se serait condensée en eau

liquide après le passage de l'étoile dans sa

période évolutive, plus calme.

© ESA

On peut donc dire que si LHS 1140b

possède une atmosphère, il y a de grandes

chances que de l'eau liquide soit présente

à sa surface.

Le télescope spatial Hubble

Lexique

- Bar : unité de pression correspondant à 100000 pascals

(1 pascal = pression de 1 Newton sur une surface d'1 m²)

- Magma : roche en fusion

Pour accéder aux

nouvelles récentes

de l’exploration

spatiale, rendezvous

sur le site de

l’Agence Spatiale

Européenne :

www.esa.int

21


Étude de cas : vivre sur LHS 1140b ?

La présence d’une atmosphère : de

nombreuses fonctions essentielles

asc-csa.gc.ca – – Agence Spatiale Canadienne

Quel rôle joue l’atmosphère ?

Une atmosphère est une couche

gazeuse entourant un astre, tel

qu’une planète. La présence

d’une

atmosphère

suffisamment épaisse est

indispensable pour qu’un

planète puisse abriter la vie. En

effet, l’atmosphère a de

nombreux rôles essentiels à la

présence de vie : elle permet

tout d’abord de contenir

l’éventuel dioxygène de l’air qui

nous permettrait de respirer,

ensuite, elle provoque le

phénomène d’effet de serre ce

qui permet de contenir une

partie de la chaleur émise par

l’étoile afin de réchauffer l’air de

la planète, enfin, elle est

essentielle pour protéger les

êtres vivants présents sur la

planète des rayonnements émis

par son étoile, dangereux pour

ceux-ci, tels que les rayons

ultraviolets.

LHS 1140b possède-t-elle une

atmosphère suffisamment

dense ?

Pour savoir si LHS 1140b

possède peut-être une

atmosphère, il faut s’intéresser

à la formule suivante :

ou non d'une atmosphère,

plus ou moins épaisse, sur la

planète en question. En effet,

le graphique ci-dessus nous

montre approximativement la

vitesse de libération d'une

planète en fonction de sa

masse. Les données d'astres

du Système Solaire de

masses et de masses et de

vitesses de libération connues

ont été utilisées pour cela :

Mars,Mercure, Venus, notre

Terre ainsi que la Lune.

En observant la courbe

obtenue, on peut observer que

dans l'ensemble, plus la

masse du corps céleste est

importante, puis sa vitesse de

libération est importante. Cela

confirme donc l'idée que ces

deux unités sont liées, et donc

que l'épaisseur de

l'atmosphère d'une planète

12

10

augmente selon la masse de

celle-ci. Or, d'après les

données recueillies par les

astrologues grâce à la

méthode des transits/vitesses

radiales (?) ( voir dossier

« Les méthodes de détection

des exoplanètes »), la masse

de

l'exoplanète LHS 1140b serait

environ 6 fois supérieure à

celle de la Terre. Comme la

Terre possède une

atmosphère suffisamment

épaisse pour abriter la vie, et

que la vitesse de libération de

LHS 1140b est supposée

supérieure à celle de la Terre,

on peut donc émettre

l'hypothèse suivante : LHS

1140b possède une

atmosphère sûrement plus

épaisse que celle de la Terre,

et par conséquent

suffisamment épaisse pour

abriter la vie.

avec G la constante de

gravitation universelle, soit la

valeur 6,67*10^-11, m la masse

de la planète et r son rayon.

Cette formule permet d'obtenir

V, soit la vitesse de libération

(des atomes….) . D'après les

scientifiques, cette vitesse de

libération est liée à la présence

8

6

4

2

0

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5

Vitesse de libération

22

22


Étude de cas : vivre sur LHS 1140b ?

Un bouclier naturel pour la planète

Le Soleil est une étoile très active : il crée en permanence des “tempêtes” en projetant dans

l'espace d'énormes quantités de matière très énergétique. On appelle ce phénomène les vents

solaires (ou stellaires pour les étoiles en général). Lors d'éruptions à la surface du Soleil, les

quantités de particules projetées sont encore plus importantes et peuvent atteindre les planètes.

La Terre est protégée des vents solaires grâce à son champ magnétique qui forme une sorte de

bouclier autour d'elle. Ce champ magnétique provient de mouvements à l'intérieur du noyau

externe de la Terre composé de fer en fusion.

Si la Terre ne possédait pas ce bouclier naturel, alors son atmosphère serait arrachée par les

vents solaires, par conséquent la vie y serait impossible. Un autre facteur met la Terre à l’abri de

ces vents : c’est sa position très éloignée du Soleil.

Dans le cas d’une naine rouge comme

LHS 1140, les éruptions sont

fréquentes. Bien qu’elles ne soient pas

plus violentes que celles du Soleil, le

problème est que les planètes de sa

zone habitable sont beaucoup plus

exposées. En effet, comme nous

l’avons vu précédemment, la zone

d’habitabilité d’une naine rouge est

bien plus proche d’elle que celle du

Soleil. Même si les vents stellaires

d’une naine rouge sont moins

énergétiques que les vents solaires, le

scientifique Scott Fleming, du Space

Telescope Science Institute, ajoute

qu’« il peut y avoir une effet

cumulatif » de part la fréquence des

éruptions.

futura-sciences.com

Étant donnée la masse de la planète LHS

1140b, elle pourrait contenir un noyau très

dense composé de fer, qui générerait un

champ magnétique.

Mais cette hypothèse n'est qu'à moitié

réjouissante : en effet, un groupe

d’astrophysiciens américains a montré que

même une exoplanète possédant un bouclier

magnétique semblable à celui de la Terre

n’est pas à l’abri des vents d’une naine

rouge. Il reste toutefois un espoir : il se

pourrait que la composition de l'atmosphère

(inconnue à ce jour) de LHS 1140b lui

permette de résister à l'impact des vents

stellaires.

23


http://stationsurmars.canalblog.com

Étude de cas : vivre sur LHS 1140b ?

L'humanité pourrait-elle habiter LHS 1140b

sur le long terme ?

Grâce aux données étudiées auparavant, nous avons pu voir que l'exoplanète

LHS 1140b pourrait potentiellement abriter la vie. Désormais, il faut pouvoir

répondre à la question suivante : est-ce que l'humanité pourrait survivre et se

développer sur le long terme si elle venait à coloniser cette planète ? Pour cela,

il faut étudier différents critères.

La lumière d'une étoile : un

critère indispensable à la

photosynthèse

Si l'humanité venait à coloniser

LHS 1140b, la première question

que nous nous poserions serait la

suivante : comment se nourrir ?

En effet, pour que l'humanité

puisse se nourrir, la présence

d'autres espèces, ainsi que de

plantes, est indispensable, soit la

présence de matière organique.

Lors de la photosynthèse, les

plantes synthétisent de des

molécules organiques à partir de

molécules minérales présentes

dans le sol, ce qui permet à ces

végétaux de pousser, de se

développer et de se reproduire.

Elles pourront ensuite servir de

nourriture aux Hommes, mais

également aux autres espèces ce

qui leur permettra de prospérer.

La présence de minéraux dans le

sol, en particulier de l'azote,

( présent sous la forme d'ions

nitrite NO3- sur Terre ) est donc

nécessaire à ce phénomène. Mais

les scientifiques n'ont pas

d'informations concernant la

composition des sols de LHS

1140b, il faut donc espérer qu'elle

possède les minéraux nécessaires

au développement des végétaux.

Néanmoins, un autre critère

est indispensable à la

photosynthèse : il s'agit de la

lumière. En effet, sur Terre, les

plantes utilisent l'énergie

lumineuse du Soleil pour

synthétiser des molécules

organiques. LHS 1140, l'étoile

de LHS 1140b, étant une naine

rouge, est donc moins

lumineuse que la planète

Terre. On estime que LHS 1140b

recevrais environ la moitié de

la lumière reçue par la Terre.

Cela impliquerait donc une

photosynthèse plus lente,

mais celle-ci pourrait tout

de même être présente, et

donc permettre à

l'humanité et aux autres

espèces de se nourrir.

24


Étude de cas : vivre sur LHS 1140b ?

Une gravité similaire à celle

de notre Terre

Pour que l'Homme puisse vivre

sur le long terme sur LHS

1140b, il faudrait que sa force

gravitationnelle soit à peu près

similaire à celle de la Terre, ce

qui nous permettrait d'être

attirés par l'exoplanète et donc

que nous puissions tenir au sol.

La formule physique

permettant de calculer la force

gravitationnelle exercée par

un astre est la suivante :

Avec G la constante de

gravitation universelle, MA

et MB les masses des deux

objets concernés et d la

distance entre ces deux

objets. La force

gravitationnelle exercée par

un astre sur des objets à sa

surface dépend donc de la

masse de la planète et de son

rayon ( la distance entre son

centre et les objets à sa

surface ). Plus sa masse est

grande, plus cette force

augmente, et plus son rayon

est grand, plus elle diminue.

On sait que la masse de LHS

1140b est environ 6 fois plus

importante que celle de la

Terre, mais cela est

légèrement compensé par

son rayon qui est environ 1,4

fois plus grand que celui de

la Terre, ce qui au carré est

environ égal à 2. Comme 6/2

= 3, on peut donc on peut

donc supposer que la gravité

de LHS 1140b serait

approximativement 3 fois

supérieure à celle de la

Terre. Il serait donc difficile

pour nous de s'y habituer,

puisque nous aurions

l'impression d'être trois fois

plus lourds que sur Terre,

mais il serait tout de même

possible d'y vivre sur le long

terme.

25

25

http://guy.chaumeton.pagesperso-orange.fr/scphysiques2010/2dph05.htm


Étude de cas : vivre sur LHS 1140b ?

L'apparition de la vie : un mélange bien précis

Nous avons jusqu'ici étudié les

facteurs qui rendraient une

planète habitable. Mais

« habitable » ne veut pas

forcément dire « habitée» .

François Raulin, chercheur au

CNRS et exobiologiste (voir

encadré ci-contre), rappelle :

"D'après nos connaissances, il

y a trois éléments essentiels

pour l'apparition de la vie: de

l'eau liquide, une source

d'énergie et de la matière

organique, c'est-à-dire tout

composé comportant du

carbone". En effet, toutes les

molécules organiques

(constituant les êtres vivants)

sont des molécules carbonées.

Les atomes de carbone

peuvent créer une grande

diversité de combinaisons

moléculaires car ils peuvent

chacun se lier à 4 autres

atomes.

Dans les molécules organiques,

les principaux autres atomes sont

l'hydrogène, l'oxygène et l'azote.

Sans leur présence, la fabrication

de matière organique par les êtres

vivants tels que nous les connaissons serait impossible.

S'il y a de l'eau à la surface de la planète, alors la présence

d'hydrogène est certaine. L'oxygène et l'azote, quant à

eux, pourraient se trouver sous forme de gaz

atmosphériques.

Tous les atomes cités précédemment sont indispensables à

l'apparition de la vie telle que nous la connaissons.

Néanmoins, il n'est pas exclu que d'autres formes de vie

se développent grâce à d'autres éléments, et dans des

conditions qui paraissent improbables.

L'exobiologie : qu'est-ce ?

L'exobiologie est une science qui

étudie les facteurs à l'origine de

l'apparition de la vie et de son

évolution, sur Terre et

éventuellement ailleurs dans

l'Univers. Elle utilise plusieurs

disciplines réunies : la physique, la

chimie, la biologie, la climatologie...

Elle est au centre

de la recherche

de vie

extraterrestre

sous toutes ses

formes.

Les outils actuels ne permettent pas de connaître la composition de l'atmosphère d'une exoplanète.

L'observatoire spatial James-Webb, qui succédera au télescope Hubble en 2019, devrait

permettre de le faire. Nous pourrons alors savoir si notre planète vedette, LHS 1140 b, valide encore

un critère d'habitabilité.

26


Étude de cas : vivre sur LHS 1140b ?

LHS 1140b

potentiellement

habitable ?

Critère

Présence Présence

d'eau d'une

liquide atmosphère

Protection

contre les

vents

stellaires

Présence de

minéraux

dans les

sols

Luminosité

suffisante

Gravité

satisfaisante

Validé

Non validé

Inconnu

x

Le tableau

ci-dessus,

cette exoplanète pour trouver de nouvelles

récapitulant les différents

informations

la concernant, et qui

Critères nécessaires pour

permettraient peut-être de valider

Abriter la vie et si LHS 1140b les

ces critères. Il faut donc espérer

vérifient ou non, montre que toutes

que ces conditions soient bientôt

ces conditions de vie sont soit

validées, ce qui a l'air d'être

validées, soit inconnues par manque

probable. Pour l'instant, LHS

de données, mais aucune n'est invalide.

1140b demeure un espoir pour le

Cela signifie que si les conditions

futur de l'humanité toute

manquantes sont présentes, LHS 1140b

entière.

Pourrait potentiellement abriter la

vie, et donc accueillir l'humanité lors

27

d'une future colonisation. Il faut

donc continuer à étudier précisément


Article : une future colonisation ?

Une exoplanète

habitable : et après ?

Dans ce numéro,

la question de la découverte

d'exoplanètes a été abordée. Grâce aux progrès scientifiques

actuels, nous sommes en mesure de pouvoir détecter des

exoplanètes situées à des années-lumière de notre Terre

grâce à des méthodes particulièrement performantes, et de

savoir si une exoplanète pourrait potentiellement abriter la

vie et nous accueillir dans le futur. Néanmoins, après avoir

trouvé une exoplanète sur laquelle nous pourrions vivre, il

reste une étape avant de pouvoir s'y installer : celle du

voyage.

En effet, voyager jusqu'à des exoplanètes atteignant

plusieurs dizaines d'années-lumière, comme LHS 1140b qui

se situe à environ 40 années-lumière de notre Terre, paraît

aujourd'hui impensable compte tenu des technologies

actuelles. Un tel voyage vers un nouveau lieu de vie prendrait

des milliers d'années, ce qui s'étendrait sur des générations

et des générations à notre échelle. Il faut donc pouvoir

remédier à cela, comme par exemple créer de nouvelles

fusées plus puissantes et plus rapides, ou encore d'autres

solutions.

En outre, pour s'installer sur une exoplanète, il faut

également penser à la manière dont déplacer une population

entière sur une nouvelle planète, et réfléchissant aux

provisions et aux ressources nécessaires pour le voyage et la

vie sur l'exoplanète en question.

Tous ces éléments soulèvent de nouvelles questions

importantes pour une éventuelle future colonisation : est-il

possible de déplacer la population terrestre sur une

exoplanète lointaine grâce aux technologies actuelles ? Si

non, quelles sont les solutions à apporter ?

Ce sont des questions auxquelles nous essaierons de

répondre lors du prochain numéro de Science&TPE !

28


Sources

Xavier Demeersman. Pour Stephen Hawking, l'humanité doit se

préparer à quitter la Terre. Futura-Sciences, 11 novembre 2017

°

Xavier Demeersman. Deux exoplanètes autour de Trappist-1

pourraient accueillir la vie, 30 janvier 2018

°

Rémy Decourt. L'exoplanète LHS 1140b, la meilleure candidate

pour chercher de la vie ailleurs, 20 avril 2018

°

Serge Jodra. Les vents stellaires, 2004, sur Cosmovisions.com

°

Vincent Boqueho, La vie a besoin d'eau, mais d'eau liquide, 13

octobre 2015, sur futura-sciences.com

°

fr.wikipedia.org → Pression atmosphérque

→ dernière modification le 14 janvier 2018

°

Futura-sciences.com → vents solaires : Terre protégée par son

champ magnétique

→ article publié le 11 novembre 2017 par Jonathan Sare

°

Futura-sciences → définition géophysique

→ article écrit par Marie-Céline Ray, une journaliste

fr.wikipedia.org → Composition chimique de l'atmosphère de la

Terre → dernière modification le 29 janvier 2018

°

Podcastscience.fm → les conditions chimiques nécessaires à la

vie→ écrit par Mathieu le 9 novembre 2011

29


http://www.exobiologie.fr/

°

Www.huffingtonpost.fr → découverte d'exoplanètes habitables

→ article écrit par Gregory Rozieres et actualisé le 23 février 2017

°

Www.sciencesetavenir.fr → Une super Terre candidate pour la

recherche de traces de vie

°

Www.futura-sciences.com → détection exoplanètes

→ article écrit par Laurent Sacco ( journaliste pour Futura

Sciences ) le 16.11.2012

°

Www.astronomes.com → méthode des transits

→ article écrit par Olivier Esslinger ( astrophysicien travaillant dans

le secteur privé pour son site Internet ) le 26 janvier 2017

°

Vidéo sur la méthode de la vitesse radiale :

https://www.youtube.com/watch?v=u13tCjkPLF0 postée par «

phillippe jeanjacquot » ( professeur postant des vidéos de physique

pour les TS sur Youtube ) le 22 octobre 2014

°

Les-exoplanetes.skyrock.com → méthode vitesses radiales

°

Planet-terre.ens-lyon.fr → habitabilité : vie dans le système Solaire

→ article écrit par Pierre Thomas, un scientifique du laboratoire de

Sciences de la Terre, ENS de Lyon, et publié par Olivier Dequincey le

08/09/2010

°

Cours SVT 2nde

°

Livre « Comprendre et enseigner la planète Terre »

→ Chapitre VII « Une planètehabitable »

30


Le mois prochain dans

SCIENCE&TPE

Dossier

Pourrons-nous bientôt

voyager hors du

Système solaire ?

Étude de cas

Le Space Lauch

System de la NASA

La page d'actu

Télescope James Webb :

pourquoi un lancement

reporté ?

Et aussi...

L'expérience

du mois :

Créer un champ

magnétique

Article :

Une sonde

spatiale

chinoise sur la

face cachée de

la Lune

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