Zone Habitable : La Ceinture où 40 Milliards de Terres Pourraient se Cacher

Les données du télescope spatial Kepler, annoncées le 4 novembre 2013, pointaient vers environ 40 milliards de mondes de la taille de la Terre qui pourraient orbiter dans les zones où l'eau liquide pourrait survivre autour d'étoiles semblables au Soleil et de naines rouges dispersées dans la Voie lactée. Ce seul nombre a reconfiguré la façon dont les astronomes parlent de notre galaxie — non comme une éparpillement d'étoiles, mais comme un champ dense de lieux où l'eau liquide pourrait plausiblement s'accumuler sur une surface rocheuse.

La zone habitable en elle-même est une idée trompeusement simple : l'intervalle de distances d'une étoile où une planète pourrait être assez chaude pour contenir de l'eau liquide mais pas si chaude qu'elle s'évapore. Cela semble être une géométrie basique, mais la vraie science est plus désordonnée — l'atmosphère d'une planète, son orbite et le tempérament de sa propre étoile poussent tous les limites autour. Ce guide parcourt l'origine de l'idée, ce qu'elle prédit réellement et où elle s'effondre.

Le terme zone habitable est probablement apparu pour la première fois en 1913, dans le livre Are The Planets Inhabited? de l'astronome Edward Maunder — des décennies avant que quiconque n'ait confirmé une seule planète au-delà de notre propre système solaire. Maunder raisonnait à partir des premiers principes : la température d'une planète dépend de sa distance de son étoile, il devrait donc y avoir une bande où cette température permet l'eau liquide.

La version moderne du concept, celle que les astronomes utilisent réellement aujourd'hui, a été proposée en 1959 par l'astrophysicien Su-Shu Huang, qui l'a construite autour des contraintes climatiques qu'une étoile hôte impose à toute planète la orbitant. Le cadre de Huang est pourquoi la phrase « zone habitable » apparaît maintenant dans pratiquement chaque annonce de découverte d'exoplanète — il donne aux reporters et aux chercheurs un raccourci rapide pour « cette planète est à peu près à la bonne distance ».

Kepler-452b est l'un des exemples les plus clairs de l'idée en action. Elle orbite son étoile à 1,04 UA (156 millions de km) — presque exactement la distance de la Terre du Soleil — complétant une orbite tous les 385 jours, avec un rayon environ 1,63 fois celui de la Terre et une masse au moins trois fois celle de la Terre. Ce qui la rend encore plus remarquable est le temps : Kepler-452b a passé la majorité de son existence à l'intérieur de la zone habitable de son étoile, juste un peu plus de six milliards d'années et comptant, plus longtemps que la Terre n'a existé.

Toute planète de zone habitable n'orbite pas une étoile comme le Soleil. La température effective de TRAPPIST-1 n'est que de 2 566 K (2 293 °C) ; cela la rend, en 2022, l'étoile la plus froide connue pour accueillir des planètes — un rappel que la zone se déplace vers l'intérieur, non vers l'extérieur, autour d'étoiles faibles et froides. Et la recherche ne se limite pas aux petits systèmes tranquilles : 55 Cancri f a été trouvée orbitant à l'intérieur de la zone habitable de son étoile, 55 Cancri A, faisant partie d'un système qui est devenu le seul autre que le nôtre connu pour accueillir cinq planètes. Le système 55 Cancri se situe à 41 années-lumière de distance et fait écho à la forme de notre propre système solaire — quatre planètes serrées ensemble et un monde géant plus loin — pourtant n'a pas d'équivalent à la Terre ou à Mars. Cette cinquième planète, 55 Cancri f, est environ la moitié de la taille de Saturne, au moins 45 fois la masse de la Terre, et complète une orbite à 0,785 UA tous les 260,8 jours — un géante gazeuse assise où un monde rocheux aurait pu être attendu.

Être dans la zone habitable ne dit rien sur ce dont une planète est réellement composée, et c'est là que les données de densité deviennent essentielles. Dans la population d'exoplanètes connue, la densité culmine à 7,6 grammes par centimètre cube pour les planètes autour de 1,4 rayons terrestres — plus denses, à cette taille, que presque n'importe quoi d'autre dans le recensement. Cependant, au-delà d'environ 1,5 rayons terrestres, la densité de la planète chute rapidement, un signe que ces mondes portent une épaisse couche de volatiles sur un noyau rocheux plutôt que d'être rocheux tout le long. Une planète de zone habitable qui semble de la taille de la Terre sur le papier pourrait, en pratique, être un petit monde gazeux sans surface solide.

Estimer la fréquence de ces planètes a été une cible mouvante. Une étude de 2013 par Dressing et Charbonneau a utilisé les données Kepler pour calculer que les étoiles froides portent environ 0,15 planètes de zone habitable de la taille de la Terre par étoile. Une réanalyse ultérieure a relevé cette estimation à 0,48 à 0,53 planètes de zone habitable par naine rouge, selon la manière dont les bords de la zone sont tracés de manière conservatrice — plus du triple du chiffre original, juste en ajustant les hypothèses sur l'endroit où la zone commence et se termine. Cette oscillation est une leçon utile : la zone habitable n'est pas une ligne fixe, universellement convenue, c'est une estimation fonctionnelle qui change à mesure que les modèles s'améliorent.

Même une planète se tenant au milieu géométrique de la zone habitable de son étoile dépend du comportement prévisible de cette étoile. Le Soleil lui-même reste remarquablement stable, sa luminosité totale ne se décalant que de 0,1% sur environ 11 ans de cycle d'activité solaire — une oscillation beaucoup plus douce que celle observée chez les étoiles qui pulsent et brillent beaucoup plus violemment, et une grande partie de la raison pour laquelle le climat de la Terre est resté habitable à travers le temps géologique. La stabilité n'est pas garantie, cependant, et son absence laisse une trace : une pause de 70 ans dans les taches solaires appelée Minimum de Maunder, s'étendant de la fin du 17e et au début du 18e siècle, a été liée à la période la plus froide du Petit Âge Glaciaire, quand l'Europe et l'Amérique du Nord ont enduré des hivers brutalement froids. Les petites oscillations de la production d'une étoile peuvent pousser le climat d'une planète entière pendant des générations.

La zone habitable est généralement dessinée comme un anneau propre, mais peu de planètes la voyagent réellement sur un trajet circulaire. Les excentricités orbitales mesurées des exoplanètes ont surpris les chercheurs : 90% sont plus excentriques que n'importe quoi dans le Système Solaire, et l'excentricité moyenne est 0,25. Une planète sur une orbite étirée et elliptique peut se balancer du bord extérieur de la zone habitable au bord intérieur et retour au cours d'une seule année, transformant une « zone » qui semble stable en un trajet beaucoup plus difficile et variable.

• ScienceDaily: Astronomers Discover Record Fifth Planet Around Nearby Star 55 Cancri
• arXiv: The Mass-Radius Relation for 65 Exoplanets Smaller than 4 Earth Radii
• arXiv: A revised estimate of the occurrence rate of terrestrial planets in the habitable zones around Kepler M-dwarfs
• NASA Science: Solar Variability and Terrestrial Climate
• Wikipedia: Habitable zone
• Wikipedia: Kepler-452b
• Wikipedia: TRAPPIST-1
• Wikipedia: Planetary habitability