Transcript chap09

La vie dans l’Univers
• La vie : quoi et où ?
• Les exoplanètes
• Formation des systèmes
planétaires
• Recherche d’intelligences
• Sommes-nous visités ?
Où chercher la vie ?
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)
La vie : quoi et où ? - 2
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
Attention
!
−1.3
17h
−0.6
21h
−0.4
22h
Premières
plantes
Le point
de multicellulaires
vue adopté dans ce
tableau
(dernières(1lignes)
est très
ers animaux)
Explosion
du cambrien
anthropomorphique !
La vie sort des océans
−0.1
23h30m
−0.0005
23h59m50s
Premiers mammifères
Homo Sapiens
(−100 ans 23h59m59s.998 Invention de la radio)
La vie : quoi et où ? - 3
Les planètes habitables
Zone habitable (ZH) = zone entourant l’étoile où la présence d’eau à
l’état liquide est possible
L* augmente durant la phase de
séquence principale
→ la zone habitable se déplace
Position idéale : dans la zone
continuellement habitable (ZCH)
Étoile
Complication par effet de serre
éventuel
→ dépend de l’atmosphère
planétaire
Zone habitable au début de la vie de l’étoile
Zone habitable à la fin de la vie de l’étoile
Zone continuellement habitable
La vie : quoi et où ? - 4
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
Les exoplanètes
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 - 2
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
51 Peg b : M > 150 MT
M = 1.05 M
d = 0.05 UA
T = 4 jours
Les exoplanètes - 3
Méthodes de détection : imagerie directe
Seulement dans des cas particuliers et avec les meilleures techniques
actuelles (espace, optique adaptative…)
→ 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
Naine brune 2M1207 et sa planète (ESO)
Les exoplanètes - 4
Mouvement orbital
3e loi de Kepler généralisée :
T2
4π 2

3
( A  a)
G ( M  m)
(s’obtient en égalant force gravifique = force centripète pour M et m)
Vitesse de l’étoile :
MV 2
GMm

A
( A  a) 2
GmA
2
a  A  V  2
a
A
m
Gm 2
2

V 
a
M
Ma
V
C
M
A
a
m
v
Les exoplanètes - 5
Méthodes de détection : vitesses radiales
2
1
T2
4π 2
1
3
M >> m & a >> A → Kepler : 3 

 K1T M 3
a
GM
a
V
2
 K2m T
2
2
3
M
4
 Vrad  K m sin i T
3
1
3
M
2
3
i = angle entre plan de l’orbite et ciel
V en km/s
T en années
m en MJup
M en M
V
C
 Vrad  28.4 m sin i T
1
3
M
2
M
R
r
m
3
v
→ plus sensible aux grandes masses
planétaires et courtes périodes
Les exoplanètes - 6
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
Les exoplanètes - 7
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
Les exoplanètes - 8
Exoplanètes détectées
Octobre 2014 : 1822 planètes découvertes
1137 systèmes planétaires
Méthode
Planètes
Systèmes
1147
628
572
428
Microlentilles
32
30
Imagerie
51
47
pulsars
15
12
Transits
Vitesses radiales
Source : www.exoplanet.eu
Les exoplanètes - 9
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 ?
Formation des systèmes planétaires
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
La gravitation commence à jouer
→ encore + de collisions avec :
• fusion et augmentation de taille
• ou pulvérisation des agrégats
• orbites excentriques → encore
+ de collisions
Formation des systèmes planétaires - 2
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 - 3
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
Formation des systèmes planétaires - 4
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
Formation des systèmes planétaires - 5
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 ?
Formation des systèmes planétaires - 6
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
Recherche d’intelligences
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
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
Recherche d’intelligences - 2
Fraction d’étoiles ayant des planètes fp :
Les recherches actuelles permettent d’estimer que la plupart des étoiles
possèdent des planètes
→ fp ~ 1 → une étoile par an
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 10 ans (1 milliard de planètes habitables !)
Recherche d’intelligences - 3
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 20 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 ~ 0.004 → une étoile tous les 5 000 ans
Recherche d’intelligences - 4
Fraction des formes de vie intelligentes qui développent
une civilisation technologique fc :
Personnellement, je trouve cette éventualité assez probable
→ je suppose fc ~ 1 (disons 0.5) → une étoile tous les 10 000 ans
Notre Galaxie a ~ 10 milliards d’années
→ selon cette estimation, 106 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 (si L < 10 000 ans, nous sommes probablement seuls)
Recherche d’intelligences - 5
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)
Recherche d’intelligences - 6
Difficultés des programmes SETI
• A quelle(s) fréquence(s) chercher ?
• Éliminer les signaux parasites (surtout terrestres)
• Comment séparer les signaux naturels et artificiels ?
• Reproductibilité
t
Ci-contre :
un signal apparemment
artificiel détecté en 2002
(= interférence inhabituelle
entre un satellite GPS et une
station au sol ?)
ν
Recherche d’intelligences - 7
Programme SETI le plus ambitieux
Débute en 1992 (500e anniversaire de la découverte de l’Amérique)
Utilise le« radiotélescope
d’Arecibo
(300 m) àétranges,
Porto Rico
Bien sûr qu’il existe
des créatures
des
soucoupes
et des
dans
À l’origine,
analysevolantes
des signaux
decivilisations
1000 étoilesavancées
semblables
au Soleil
l’espace. Mais nous n’avons pas besoin de dépenser
Interrompu
un an plus
tard parcette année pour prouver que ces
6 millions
de dollars
le Sénat,vilaines
suite aucréatures
réquisitoire
existent. Il suffit de 75 cents pour
de deux acheter
de ses membres
un magazine au supermarché. [En coupant ces
crédits]grâce
nousàavons
Repris ensuite
des une occasion de prouver qu’il y a
encore une vie intelligente sur Terre. »
fonds privés.
Quantité énorme de données à
analyser
→ SETI@home
Recherche d’intelligences - 8
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)
Recherche d’intelligences - 9
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 ?
Recherche d’intelligences - 9
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,…
Recherche d’intelligences - 10
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 900 000 ans, la Galaxie est colonisée
Recherche d’intelligences - 11
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 900 000 ans, 1 milliard 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 !!!
Recherche d’intelligences - 12
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
(~ 10 000 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 visités ?
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
car ils nous rendent visite :
Les E.T. sont parmi nous !
Sommes-nous visités ? - 2
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 ? - 3
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 !
Sommes-nous visités ? - 4
Solutions possibles au paradoxe de Fermi
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 ~ 106 civilisations ET dans la galaxie, il faudrait encore :
~ 4000 ans pour atteindre la plus proche
→ distances trop grandes, voyages trop longs !
Sommes-nous visités ? - 5
Solutions possibles au paradoxe de Fermi
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 ? …
Sommes-nous visités ? - 6
Solutions possibles au paradoxe de Fermi
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
« Morale » de tout ceci :
de l’espèce humaine sur Terre
Nous n’avons qu’une Terre et nous ne sommes
• Mais, à partir d’un certain stade, l’humain est devenu son propre
probablement pas prêts d’en avoir d’autres
ennemi, et de loin le plus dangereux
→ à nous d’en prendre bien soin
→ comment va jouer la sélection naturelle ?
→ extrapolation :
Les civilisations technologiques ne survivent pas suffisamment
longtemps pour coloniser la Galaxie
La vie dans l’Univers
• La vie : quoi et où ?
• Les exoplanètes
• Formation des systèmes
planétaires
• Recherche d’intelligences
• Sommes-nous visités ?
Fin du chapitre…