Hypothèse de la Terre rare - Définition

Un système planétaire

Un nuage de gaz capable de donner naissance à une étoile peut aussi enfanter une planète géante gazeuse à basse métallicité (jovienne) comme Jupiter et Saturne. Mais les planètes joviennes ne disposent pas d'une surface ferme, estimée nécessaire pour la vie complexe (leurs satellites, cependant, peuvent disposer de surfaces dures). Selon l'argumentation de Ward et Brownlee, un système planétaire capable d'abriter la vie complexe doit être structuré plus ou moins comme le Système solaire, avec les petites planètes rocheuses à l'intérieur et les planètes jovienne à l'extérieur. Cependant, des recherches récentes remettent en question cette ligne argumentaire.

Incertitude sur Jupiter

Jupiter est la cinquième planète à partir du Soleil et la plus grosse planète à l'intérieur du Système solaire.

A l'époque du livre de Ward et Brownlee, les géantes gazeuses étaient considérées comme aidant au maintien de la vie, en retenant les astéroïdes éloignés des planètes hébergeant la vie. On pensait donc qu'une géante gazeuse protégeait les planètes rocheuses intérieures contre les bombardements d'astéroïdes. Cependant, des simulations informatiques récentes sur la matière suggèrent que la situation est plus complexe : il apparaît que Jupiter cause trois fois plus d'impacts qu'elle n'en évite, alors que le remplacement de Jupiter par un corps de la taille de Saturne, doublerait le taux de bombardement par rapport à celui obtenu avec Jupiter.

Perturbation orbitale

Une géante gazeuse ne doit pas être trop proche d'un corps sur lequel se développe la vie, sauf si ce corps est une de ses lunes. La position trop rapprochée d'une géante gazeuse pourrait perturber l'orbite d'une planète potentiellement porteuse de vie, soit directement, soit en dérivant dans la zone habitable.

La dynamique newtonienne peut produire des orbites planétaires chaotiques, spécialement dans un système ayant des grosses planètes avec une excentricité orbitale élevée.

La nécessité d'une orbite stable s'impose aux systèmes planétaires extra-solaires composés de grosses planètes avec des orbites proches de l'étoile, connus sous le nom de Jupiters chauds. On pense que les Jupiter chauds se sont formés à de beaucoup plus grandes distances de leur étoile-parent qu'elles ne le sont actuellement, et qu'elles ont migré vers l'intérieur jusqu'à leur position actuelle. Dans ce processus, elles auront perturbé de façon catastrophique l'orbite de toutes les planètes de la zone habitable.

Une étoile centrale avec le caractère adéquat

L'exemple de la Terre suggère que la vie complexe exige la présence d'eau à l'état liquide et sa planète doit donc se situer à la distance appropriée de son étoile. C'est le cœur de la notion de zone habitable ou principe de Goldilocks (en). La zone habitable forme un anneau autour de l'étoile centrale. Si l'orbite d'une planète est trop rapprochée ou trop éloignée de son soleil, la température de sa surface est incompatible avec l'eau sous forme liquide (bien que de l'eau sous la surface, comme cela a été suggéré pour les satellites Europe et Encelade, ainsi que pour la planète naine Cérès puisse exister en différents endroits). Kasting et al. (1993) estiment que la zone habitable du Soleil s'étend entre 0,95 et 1,15 unité astronomique.

Diagramme de la zone habitable montrant où une vie similaire à celle apparue sur Terre pourrait exister. Noter cependant qu'une vie microbienne pourrait exister en dehors de la zone figurée.

La zone habitable varie avec le type et l'âge de l'étoile centrale. La zone habitable d'une étoile de la série principale s'éloigne avec le temps jusqu'à ce que l'étoile devienne une naine blanche, moment où la zone habitable disparait. La zone habitable est étroitement liée à l'effet de serre permis par le dioxyde de carbone (CO₂) atmosphérique ou autres gaz à effet de serre, principalement la vapeur d'eau dans le cas de la Terre. L'effet collectif de ces gaz augmentent la température moyenne sur Terre d'approximativement 33 °C par rapport à ce qu'elle serait autrement.

On présume alors qu'une étoile doit avoir des planètes rocheuses à l'intérieur de sa zone habitable. Alors que la zone habitable des étoiles chaudes telles que Alpha Canis Majoris (Sirius) ou Alpha Lyrae (Vega) est large, il existe deux problèmes :

1. Étant donné que l'on pensait (au moment de la rédaction de « Rare Earth ») que les planètes rocheuses se formaient plus près de leurs étoiles centrales, les planètes candidates se formeraient alors trop près de l'étoile pour se trouver dans la zone habitable. Ceci ne règle pas la vie sur une lune d'une géante gazeuse. Les étoiles chaudes émettent aussi beaucoup plus de radiation ultraviolettes qui vont ioniser n'importe quelle atmosphère planétaire.
2. Les étoiles chaudes évoquées ci-dessus ont une courte durée de vie, devenant des géantes rouges en moins d'un milliard d'années. Cette durée ne suffit pas pour qu'une vie avancée évolue. Ces considérations écartent les étoiles des types F6 à O (voir type spectral comme foyer d'évolution d'une vie métazoaire évoluée.

D'autre part, de petites étoiles (naines rouges) disposent de zones habitables à petit rayon. Cette proximité fait qu'une des faces de la planète est constamment tournée vers l'étoile, et l'autre demeure en permanence dans l'obscurité, un phénomène de « verrouillage » dû aux effets des forces de marée. Ce « verrouillage de marée » d'un hémisphère d'une planète à son corps primaire fera que la face diurne de la planète est constamment chaude, alors que la face nocturne demeurera extrêmement froide, même assez froide pour que la majorité des gaz atmosphériques puissent y geler ! Les planètes à l'intérieur d'une zone habitable avec un petit rayon sont aussi soumises de façon accrues à des risques générés par les éruptions solaires (voir Aurelia), qui vont tendre à ioniser l'atmosphère et seront défavorables à la vie complexe de multiples façons. Les promoteurs de « Rare Earth » tiennent que ceci élimine la possibilité de vie dans de tels systèmes, alors que des exobiologistes ont suggéré que l'habitabilité peut exister dans les circonstances correctes. C'est un point central de blocage pour la théorie, puisque ces étoiles de type K tardif et M constituent à peu près 82 % de toutes les étoiles consumant de l'hydrogène.

Les promoteurs de « Rare Earth » font valoir que le type d'étoiles centrales qui sont « juste comme il faut » s'étage de F7 à K1. De telles étoiles ne sont pas courantes : les étoiles de type G comme le Soleil (entre les F plus chaudes et les K plus froides) ne comprennent que 9 % des étoiles consumant de l'hydrogène dans la Voie lactée.

Les amas globulaires n'abritent vraisemblablement pas la vie.

Les étoiles âgées comme les géantes rouges et les naines blanches n'abritent vraisemblablement pas non plus la vie. Les géantes rouges sont courantes dans les amas globulaires et les galaxies elliptiques, Les naines blanches sont essentiellement des étoiles mourantes qui ont déjà traversé leur phase de géante rouge. Le diamètre d'une géante rouge a substantiellement augmenté depuis sa jeunesse. Si une planète s'est trouvé dans la zone habitable d'une étoile pendant sa jeunesse et son âge intermédiaire, elle sera grillée lorsque l'étoile devient une géante rouge (bien que théoriquement les planètes plus éloignées auraient pu à leur tour devenir habitables).

La dépense énergétique d'une étoile tout au long de sa vie ne change que très graduellement : les étoiles variables telles que, par exemple, les variables Céphéides constituent des hôtes extrêmement improbables de la vie. Si la dépense énergétique de l'étoile centrale décroît soudainement, même pour une durée relativement réduite, l'eau de la planète peut se congeler. A contrario, si la dépense énergétique de l'étoile centrale croît de façon significative, les océans peuvent s'évaporer, ce qui produit un effet de serre : ce phénomène peut éliminer toute reformation des océans.

Il n'existe pas de moyen connu pour parvenir à la vie sans chimie complexe, et une telle chimie exige des métaux (ce qui signifie des éléments plus lourds que l'hydrogène, l'hélium et le lithium). Ceci suggère qu'une des conditions pour la vie est un système solaire riche en métaux. Le seul mécanisme connu pour la création et la dispersion de métaux est une explosion de supernova. La présence de métaux dans les étoiles est révélée par leur spectre d'absorption, et les études des spectres stellaires révèlent que de nombreuses étoiles, et peut-être la plupart d'entre elles, sont pauvres en métaux. Une faible métallicité caractérise l'univers primordial, les amas globulaires et les autres étoiles formées lors de la jeunesse de l'univers, les étoiles dans la plupart des autres galaxies que les grandes galaxies spirales, et les étoiles des régions extérieures de toutes les galaxies. Ainsi, on estime les étoiles centrales riches en métaux capables d'abriter une vie complexe comme très communes dans les banlieues calmes des plus grandes galaxies spirales, régions hospitalières à la vie complexe, pour une autre raison, spécifiquement l'absence de radiations élevées.