Zone habitable galactique

Gliese 581 - 2010

En 1953, l'idée d'une « ceinture d'eau liquide », aujourd'hui nommée la zone habitable circumstellaire, est proposée par Harlow Shapley[3]. Cette idée était qu'autour d'une étoile, il y a seulement une région spécifique où les planètes peuvent retenir l'eau sous forme liquide sur leur surface.

À partir des années 1970, les astrobiologistes et les scientifiques planétaires ont commencé à prendre en considération d'autres facteurs pour la création et le maintien de la vie[4]. En 1981, Jim Clark fait l'hypothèse que le manque de vie extraterrestre dans la Voie lactée pourrait s'expliquer par la présence d'un noyau galactique actif. La Terre aurait été épargnée grâce à sa position dans la galaxie[5]. La même année, Wallace Hampton Tucker (en) analyse l'habitabilité galactique dans un contexte plus général[6].

La théorie moderne de la zone habitable galactique est introduite en 1986 par L. S. Marochnik et L. M. Mukhin. Ceux-ci la définissent comme étant la région dans laquelle la vie intelligente pouvait croître[7]. Donald Brownlee et Peter Ward ont repris et développé le concept dans leur livre Rare Earth: Why Complex Life is Uncommon in the Universe (en) en ajoutant des facteurs nécessaires à l'émergence de la vie complexe[8].

L'idée d'une zone habitable galactique est à nouveau développée en 2001 dans un article de Ward et Brownlee, en collaboration avec Guillermo Gonzalez de University of Washington[9] - [10]. Dans cet article, les auteurs affirment que les régions proches du halo galactique n'auraient pas les éléments lourds requis pour produire des planètes terrestres habitables. Ils posent ainsi une limite extérieure à la taille de la zone habitable galactique[4]. D'un autre côté, une planète située trop proche du centre galactique serait exposée à de nombreuses supernovæ et à d'autres événements cosmiques énergétiques, ainsi qu'a une grande quantité d'impacts cométaires exceptionnels causés par les perturbations du nuage d'Oort de son étoile hôte. Par conséquent, les auteurs ont aussi établi une limite intérieure pour la zone habitable galactique, située juste à l'extérieur du renflement galactique[4].

Plusieurs critères doivent être pris en compte pour pouvoir identifier comme habitable une zone d'une galaxie. Ceux-ci incluent la dispersion des étoiles et des bras spiraux, la présence ou l'absence d'une galaxie active, la présence de supernovæ rapprochées qui pourrait menacer l'existence de la vie, la métallicité de cette zone, etc.[11]. Si elle ne répond pas à un de ces éléments, la région de la galaxie ne peut créer ou soutenir la vie efficacement.

Évolution chimique

Vue latérale de la Voie lactée avec l'indication de quelques structures.

Une des exigences de base pour avoir de la vie autour d'une étoile est sa capacité à produire des planètes telluriques d'une assez grande masse, avec une métallicité égale à la moitié de celle du Soleil. Plusieurs éléments sont ainsi nécessaires pour avoir une planète habitable, comme le fer, le magnésium, le titane, le carbone, l'oxygène, le silicium, et autres. La masse de la planète est le facteur le plus important pour avoir une planète habitable. Cette masse a des conséquences sur la perte de chaleur, de l'atmosphère et des éléments volatils[12]. Elle est déterminée principalement par la densité de la surface locale du disque protoplanétaire dans lequel la planète a été formée. Cette densité est directement proportionnelle à l'abondance des éléments lourds qui se trouvent dans les nuages interstellaires d'où provient le système planétaire[13].

Un des rapports élémentaires important est celui du fer sur l'hydrogène ([Fe/H]). C'est un facteur pouvant déterminer la propension d'une région d'une galaxie à produire des planètes telluriques. Le bulbe galactique, qui est la partie centrale des galaxies, a une distribution de [Fe/H] allant jusqu'à -0,2 dex (exposant décimal) par rapport au Soleil. Le disque mince, où le Soleil est situé, a une métallicité moyenne de -0,02 dex à la distance orbitale du Soleil autour du centre galactique. La métallicité se réduit 0,07 dex pour chaque kiloparsec (kpc) de distance orbitale. Le disque épais a un [Fe/H] moyen de -0,6 dex, tandis que le halo galactique, la région la plus éloignée du centre, a le [Fe/H] le plus bas, qui tourne autour de -1,5 dex. Aussi, les rapports comme [C/O], [Mg/Fe], [Si/Fe], et [S/Fe] peuvent être pertinents pour connaitre la capacité d'une région à produire des planètes telluriques habitables. De ceux-ci, [Mg/Fe] et [Si/Fe] sont tranquillement en baisse et cela signifie que dans le futur, les planètes telluriques ont plus de chances de posséder un plus gros noyau de fer[14].

En addition à la grande quantité d'éléments stables compris dans la masse des planètes telluriques, une abondance de radioisotopes comme le ⁴⁰K, ²³⁵U, ²³⁸U, et ²³²Th, sont requis pour chauffer l'intérieur des planètes et pour engendrer les processus de maintien de la vie comme la tectonique des plaques, le volcanisme et l'effet dynamo[15]. Le rapport de [U/H] et [Th/H] dépend du rapport [Fe/H]. Toutefois, les fonctions générales pour l'abondance du ⁴⁰K ne peuvent être créées avec les données existantes[16].

Même si un haut taux de métallicité est bénéfique pour les planètes telluriques, une trop grande quantité peut être nuisible pour la vie. En effet, une métallicité excessive peut mener à la formation d'un grand nombre de géantes gazeuses, qui, par la suite, peuvent migrer au-delà de la ligne des glaces et devenir des Jupiter chaudes, dérangeant les planètes qui auraient pu se retrouver dans la zone habitable circumstellaire[17]. Ainsi, il a été constaté que le principe de Boucles d'or s'applique aussi pour la métallicité. Les systèmes à faible métallicité ont peu de chance de former des planètes telluriques, tandis qu'un système avec un excès de métaux crée des géantes gazeuses, dérange la dynamique des orbitales et modifie l'habitabilité des planètes du système.

Évènement catastrophique

Les supernovas jouent un rôle important dans les zones habitables galactiques.

Tout en étant située dans une région de la galaxie qui est chimiquement avantageuse pour le développement de la vie, une étoile doit aussi éviter un grand nombre d'évènements cosmiques catastrophiques qui pourraient détruire la vie sur ses planètes habitables[17]. Par exemple, une supernova proche a le potentiel de nuire sévèrement à la vie sur une planète. Avec une fréquence excessive, une explosion catastrophique pourrait stériliser une région entière d'une galaxie pendant plusieurs milliards d'années. Le bulbe galactique, par exemple, a subi un sursaut de formation d'étoiles, déclenchant une série de supernovæ qui aurait empêché cette zone de développer de la vie pendant cinq milliards d'années[18].

En plus des supernovæ, des sursauts gamma[19], des quantités excessives de radiations, des perturbations gravitationnelles ainsi que plusieurs autres évènements peuvent affecter la distribution de la vie dans une galaxie. On peut également ajouter à ceux-ci les marées galactiques, qui pourraient amener des impacts cométaires ou même apporter de la matière noire froide. Celle-ci passerait à travers des organismes et provoquerait des modifications génétiques[19]. Cependant, les impacts de ces évènements sont difficiles à quantifier[17].

La zone habitable galactique est souvent vue comme un anneau situé entre 4 et 10 kpc du noyau galactique, Par contre des recherches récentes mettent ceci en question.

Le début de la recherche sur la zone habitable galactique, y compris l'article de Gonzalez, Brownlee et Ward de 2001, n'a pas délimité aucune limite spécifique, affirmant simplement que la zone était un anneau englobant une région de la galaxie qui était à la fois enrichie en métaux et épargné d'un rayonnement excessif, et cette habitabilité serait plus probable dans le disque mince de la galaxie[4]. Cependant, des recherches ultérieures menées en 2004 par Lineweaver et ses collègues ont créé des limites pour cet annulaire. Dans le cas de la Voie lactée, les limites vont de 4 kpc à 10 kpc du centre galactique[17].

L'équipe de Lineweaver a également analysé l'évolution de la zone habitable galactique dans le temps, en trouvant, par exemple, que les étoiles proches du renflement galactique devaient se former dans une fenêtre de temps d'environ deux milliards d'années afin d'avoir des planètes habitables. Avant cette période, la fréquence des supernovæ est trop élevée. Après, la métallicité croissante du noyau galactique débouche sur la formation de planètes géantes susceptibles de déstabiliser les systèmes d'étoiles et d'altérer radicalement l'orbite de n'importe quelle planète située dans la zone habitable circumstellaire. Cependant, les simulations réalisées en 2005 à l'université de Washington montrent que, même en présence de Jupiter chauds, les planètes terrestres pourraient demeurer stables sur de longs délai[22].

Une étude menée en 2006 par Milan ïirković et ses collègues a étendu la notion d'une zone habitable galactique en fonction du temps, en analysant divers événements catastrophiques ainsi que l'évolution séculaire (en) sous-jacente de la dynamique galactique[19]. Le document considère que le nombre de planètes habitables peut fluctuer grandement avec le temps en raison de l'imprévisibilité des événements catastrophiques, créant ainsi un équilibre ponctué dans lequel les planètes habitables sont plus susceptibles d'exister à certains moments plutôt que d'autres[19]. Basé sur les résultats des méthodes de Monte-Carlo sur un modèle-jouet de la Voie lactée, l'équipe a constaté que le nombre de planètes habitables est plus susceptible d'augmenter avec le temps, mais pas selon un schéma parfaitement linéaire[19].

En 2008, une étude de Nicolas Prantzos remet en question la forme en anneau de la ZHG. Elle montre, notamment, que bien que la probabilité qu'une planète s'échappant de la stérilisation par supernova est plus élevée à partir d'une distance d'environ 10 kPc du centre galactique, la densité des étoiles dans la galaxie intérieure signifiait que le plus grand nombre de planètes habitables pourraient y être trouvées[23]. La recherche a été corroborée dans un article publié en 2011 par Michael Gowanlock, qui a calculé la fréquence des planètes « survivantes des supernovæ » en fonction de leur distance du centre galactique, de leur hauteur au-dessus du plan galactique et de leur âge, ce qui a révélé qu'environ 0,3 % des étoiles de la galaxie pourraient aujourd'hui soutenir une vie complexe, ou 1,2 % si l'on ne considère pas la rotation synchrone des planètes naines rouges comme empêchant le développement de la vie complexe[24].

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Galactic habitable zone » (voir la liste des auteurs).

: document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• (en) Fred Spier, Big History and the Future of Humanity, John Wiley & Sons, 6 mai 2015, 360 p. (ISBN 978-1-118-88172-9, lire en ligne), p. 110–111
• (en) Guillermo Gonzalez, Donald Brownlee et Peter Ward, The Galactic Habitable Zone I. Galactic Chemical Evolution, University of Washington, 2001, 57 p. (lire en ligne).