Le journal du cnrs numéro 228/229 Janvier février 2009 titre : Univers, les mystères des origines

Planètes en construction

Il y en a probablement des milliards qui virevoltent autour de leur étoile dans notre galaxie. Et chaque mois, on en découvre de nouvelles. Les exoplanètes, autrement dit les planètes qui existent en dehors de notre système solaire, sont bien les stars de l'astronomie de la dernière décennie. Mais aussi fabuleuses soient-elles, ces découvertes n'ont pas encore permis de résoudre un grand mystère, simple à formuler : comment naissent les planètes ? Très lointaines, les exoplanètes ne nous ont pour l'instant que peu renseignés sur les conditions de leur formation. Alors en attendant, les astronomes continuent de se rabattre sur les planètes qu'ils ont à portée d'instruments : celles qui gravitent autour de notre étoile, le Soleil. Pour comprendre les évènements qui conduisent à la naissance des planètes, les chercheurs déroulent donc un scénario portant sur les dix millions d'années qui ont suivi l'apparition de notre étoile au cœur d'un nuage interstellaire. Lorsque l'astre s'est formé, la région de gaz et de poussières qui l'entoure s'est aplatie. Dans ce disque dit « protoplanétaire », des particules de matière, micrométriques et centimétriques, se sont agglutinées jusqu'à devenir d'imposantes boules de matière, les « planétésimaux » qui ont grossi jusqu'à atteindre une taille de l'ordre du millier de kilomètres. C'est de l'agglomération de ces corps que naîtraient les « géantes gazeuses », comme Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune, et les planètes rocheuses, comme la Terre ou Mars.

La matière venue du ciel

Bien qu'il ait été vérifié dans ses grandes lignes, les détails de ce processus sont mal connus. Son commencement en particulier, comporte de nombreuses zones d'ombre que les scientifiques voudraient éclaircir. Quels solides précisément sont présents au départ dans la nébuleuse solaire ? Comment s'assemblent-ils ensuite pour former des objets comme des astéroïdes, des comètes, des planètes ou des lunes ? Pour répondre à ces questions, certains astronomes comme ceux du Centre de recherches pétrographiques et géochimiques du CNRS¹ ou ceux du laboratoire Nano-analyses (Laboratoire CNRS Muséum national d'histoire naturelle Laboratoire d'études de la matière extraterrestre, Leme). examinent de la matière extraterrestre. En effet, les échantillons venus de l'espace, comme les chondrites, nous parviennent presque inchangés depuis 4,567 milliards d'années. Et beaucoup portent la trace des changements physico-chimiques de l'environnement de la banlieue du Soleil. C'est pourquoi l'équipe dirigée par François Robert peut reconstituer le passé en comparant différents types d'objets célestes : météorites tombées au sol, micrométéorites récupérées dans les glaces du pôle Sud et, depuis le retour de la mission spatiale de la Nasa, Stardust, constituants de queue cométaire. Ce travail de longue haleine, consistant à passer ces matériaux au crible de l'analyse chimique, isotopique, pétrographique et minéralogique, permet de préciser, pas à pas, la chaîne des événements qui fut à l'origine du système solaire actuel. Récemment, ces chercheurs ont ainsi découvert que des réactions nucléaires avaient pu avoir lieu dans le disque protoplanétaire primitif, contrairement à ce qu'indiquaient jusqu'ici les théories ! Certes, des traces de radioactivité avaient bien été identifiées. Mais les chercheurs avaient une explication : l'explosion d'une étoile massive en fin de vie, qui y aurait injecté des éléments radioactifs. En recherchant et en comptabilisant dans de très vieilles météorites, des isotopes issus de la désintégration de noyaux atomiques, le laboratoire Nano-analyses a pu montrer que l'étoile moribonde n'était pas la seule responsable : à un moment de son histoire, le disque protoplanétaire aurait bien, lui aussi, produit des éléments radioactifs.

La formation du système solaire

Autre mystère : pourquoi notre système solaire a-t-il la configuration qu'on lui connaît ? Comment en est-on arrivé à l'actuelle répartition des planètes gazeuses et rocheuses ? Au Laboratoire « Cassiopée Astrophysique, sciences mécaniques et analyse des données » (« Cosmologie Astrophysique Stellaire & Solaire de Planétologie et de Mécanique des fluides » CNRS Observatoire de la côte d'Azur Université de Nice) à Nice, l'astronome Alessandro Morbidelli est l'un des spécialistes français de la modélisation de l'histoire de la dynamique de notre système solaire : il tente de reconstituer comment les différentes familles d'objets – astéroïdes, comètes, planétoïdes, satellites, planètes – formées dans le disque protoplanétaire ont interagi entre elles par l'intermédiaire de la gravité pour aboutir à leur répartition actuelle. À son actif : l'explication en 2005 du bombardement intense tardif (ou late heavy bombardment, LHB) d'astéroïdes subi par la Lune, il y a 3,9 milliards d'années. Grâce à ses travaux, on sait désormais que celui-ci fut causé par des changements d'orbites de Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune qui se seraient formées beaucoup plus près du Soleil que là où elles sont actuellement ! Outre la naissance de la Terre, Alessandro Morbidelli et ses collègues voudraient maintenant expliquer pourquoi le noyau des géantes gazeuses, puis les géantes gazeuses elles-mêmes n'ont pas migré sous l'effet de la gravité pour finir par disparaître absorbés par le Soleil. Si la première partie du problème résiste toujours à leur opiniâtreté, ces scientifiques sont récemment arrivés au bout de la seconde. Selon eux, si notre système solaire compte encore des géantes gazeuses, c'est en raison de la proximité du rapport de taille existant entre Jupiter et Saturne. Par l'effet combiné de leur gravité, celles-ci auraient stoppé la chute dans notre étoile de nos quatre énormes voisins !

La chasse aux exoplanètes

Enfin, depuis la détection, en 1995, de la première des exoplanètes, 51 Peg b, une géante gazeuse d'une masse de l'ordre de la moitié de celle de Jupiter, on sait donc que des systèmes planétaires existent autour d'autres étoiles que la nôtre. « Cette découverte a eu un impact majeur dans la discipline et a marqué un véritable tournant à la fois dans le domaine théorique et dans celui des observations », explique Anne-Marie Lagrange, directrice du Programme « Origine des planètes et de la vie » du CNRS et spécialiste des exoplanètes au Laog. Certes, trop d'informations manquent aux astronomes pour qu'ils puissent se faire une idée exhaustive des diverses manières dont la nature fabrique des planètes dans les disques protoplanétaires. Il est déjà si difficile de les visualiser ! Très peu d'images sont, en effet, aujourd'hui disponibles. En 2004, une équipe du Laog impliquant Anne-Marie Lagrange et Gaël Chauvin fut la première à réussir ce tour de force sur l'instrument d'optique adaptative Naco du VLT de l'Eso (Chili) (Sous la responsabilité de Jean-Luc Beuzit, le Laog construit dans le cadre d'une collaboration Sphere un instrument de seconde génération du VLT dédié à l'imagerie des exoplanètes). Mais ce n'est qu'aujourd'hui, après quatre ans d'efforts et la collaboration d'autres scientifiques, que le groupe a pu renouveler cet exploit en réalisant un cliché d'une planète située à 8 unités astronomiques (UA) de son étoile, soit une distance inférieure à celle séparant Saturne et le Soleil. Cependant, les données fournies par l'étude de quelque 300 exoplanètes ont d'ores et déjà mis à mal plusieurs dogmes. Principale victime de cette « révolution culturelle » : la hiérarchie des planètes. Dès la découverte en 1995 de 51 Peg, une géante gazeuse, tournant tout près de son astre en quatre jours à peine, les astronomes ont, en effet, dû ranger au placard leur modèle qui plaçait les planètes rocheuses – Mercure, Vénus, la Terre et Mars – au centre des systèmes planétaires et les géantes gazeuses – Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune – à la périphérie. D'où l'intense effort actuel pour interpréter des flots d'informations qui, chaque jour, semblent confirmer un peu plus que l'organisation de notre système solaire est probablement particulière. C'est ce que tente notamment de faire aujourd'hui Tristan Guillot, du Laboratoire Cassiopée à Nice. S'appuyant sur le premier modèle de circulation atmosphérique d'exoplanètes géantes, ce théoricien a, en 2002, expliqué la taille anormalement élevée de HD209458b, une exoplanète gazeuse – dite « Pégaside » car comparable à 51 Peg b – tournant à une distance inférieure à 0,1 UA de son astre. En mai 2006, le chercheur allait encore plus loin en découvrant un lien entre la teneur en éléments lourds de ces « Pégasides » et celle de leurs soleils. Une relation inédite entre exoplanète et étoile, et un premier pas vers une meilleure compréhension de la manière dont se forment les systèmes planétaires.

Vahé Ter Minassian

Astronomie : vers l'union mondiale (Entretien avec Dominique Le Quéau, directeur de l'Insu)

Peut-on aujourd'hui développer des moyens d'observation astronomique sans une importante collaboration internationale ?

Dominique Le Quéau : Très clairement non. Les enjeux actuels de l'astronomie concernent soit des objets petits et difficiles à observer, des planètes extrasolaires par exemple, soit des objets lointains. Ce qui, dans les deux cas, nécessite des instruments coûteux et de grande taille. Ainsi, pour les instruments au sol, l'Observatoire européen austral (ESO) regroupe plusieurs pays. Des exemples : le Very Large Telescope (VLT), situé dans le désert d'Atacama, au Chili, et piloté par l'ESO, ou le radiotélescope Alma, actuellement en construction lui aussi au Chili. Dans ce cas, il s'agit même d'un projet mondial, conçu comme la réunion de trois projets, européen, étatsunien et japonais. C'est une première mondiale. Et un premier pas vers de possibles projets mondiaux totalement unifiés. De même, les instruments spatiaux sont le plus souvent le fait des grandes agences, telle l'Agence spatiale européenne (ESA).

Comment conjuguer cette collaboration renforcée et la compétition internationale ?

D.L.Q. : Il y a ici deux aspects. Tout d'abord un aspect technologique. Celui-ci nécessite de laisser jouer la compétition le plus longtemps possible, afin de développer les meilleurs outils. Mais in fine, le coût des réalisations nécessite de collaborer. Pour l'aspect scientifique, l'attribution des temps d'observation est fonction de la qualité des projets soumis. La compétition est donc totalement ouverte. Je dirais même que les chercheurs sont particulièrement motivés par la rareté de l'accès aux outils.

La taille des instruments astronomiques va croissant. Cela freine-t-il le développement de grandes collaborations internationales ?

D.L.Q. : Ces projets nécessitent une coordination extrêmement complexe à mettre en œuvre. Jusqu'à maintenant, ça n'a pas été un problème. Dans le cas d'Alma, il est possible que l'exploitation de l'instrument, encore plus que sa construction, nécessite une véritable coopération internationale, qui aujourd'hui n'est pas encore tout à fait réalisée. Des discussions difficiles sont en cours.

Propos recueillis par Mathieu Grousson

GLOSSAIRE

Isotopes Les isotopes d'un même élément chimique diffèrent uniquement par le nombre de neutrons contenus dans leur noyau.

Unités astronomiques Une unité astronomique correspond à la distance moyenne entre la Terre et le Soleil soit 150 millions de kilomètres.

Contact

François Robert, [e-mail]

Alessandro Morbidelli, [e-mail].

Tristan Guillot, [e-mail]

Anne-Marie Lagrange, [e-mail]

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Il était une fois la vie

Comment la vie est-elle apparue sur Terre ? Et existe-t-elle ailleurs dans l'Univers ? Deux immenses questions qui sont étroitement liées... et qui sont surtout loin d'être résolues. Aujourd'hui, la quête des origines de la vie, objet d'une discipline baptisée exobiologie, mobilise autant les biologistes, paléontologues et chimistes, que les astronomes. Et pour tous, les questions se bousculent, que ce soit sur les débuts de la vie terrestre, les conditions qui ont permis son apparition, ou même sur les « briques élémentaires » qui ont servi de base à la vie. Concernant les dates tout d'abord. Sur notre planète, les paléontologues ont établi en étudiant des fossiles que le premier être vivant est apparu il y a au maximum 4 milliards d'années. Une datation très imprécise, car les indices disponibles ne sont pas vraiment légion… Peu à peu cependant, les scientifiques avancent : des chercheurs du laboratoire Bioemco (Laboratoire CNRS Université Paris 6 Inra Agroparistech jr étude pôle aliment École normale supérieure Paris), en collaboration avec trois autres unités, ont ainsi prouvé en juillet 2008 qu'il y avait déjà de la vie sur Terre il y a 3,5 milliards d'années grâce à l'analyse d'une roche de cette époque.

Conditions de vie

Autre question en suspens : quelles étaient les conditions exactes qui régnaient sur Terre à cette époque ? Aussi, tout un volet de l'exobiologie est-il aujourd'hui consacré aux moyens pour mieux exploiter les rares indices disponibles… et en trouver de nouveaux. L'identification de fossiles microscopiques et la recherche concernant les « biosignatures »occupent une partie des scientifiques. D'autres consacrent leurs efforts à déterminer si l'eau, élément indispensable à l'apparition de la vie et présent à la surface de notre planète, a été apportée depuis l'espace par des pluies de comètes. D'autres s'attachent à retrouver les caractéristiques physiques et chimiques de l'atmosphère et des océans dans ce passé lointain. Par exemple, l'équipe de Manolo Gouy, du laboratoire « Biométrie et biologie évolutive » (Laboratoire CNRS Université Lyon 1), à Villeurbanne, en collaboration avec les informaticiens du Laboratoire d'informatique, de robotique et de microélectronique de Montpellier (Lirmm) (Laboratoire CNRS Université Montpellier 2), a démontré récemment que l'ancêtre commun à tous les organismes (Last Universal Common Ancestor, ou Luca) a vécu à des températures modérées, inférieures à 50 °C. Plus tard, la vie a dû résister à un milieu plus chaud (environ 70 °C) avant de s'adapter de nouveau à des températures décroissantes, jusqu'à aujourd'hui. Autre problème brûlant : les molécules organiques qui forment les nucléotides et les acides aminés de la machinerie du vivant. D'où proviennent-elles ? Si certaines théories postulent que leur synthèse a eu lieu au fond des mers à proximité des sources hydrothermales, près des volcans ou dans le sous-sol, une autre thèse indique qu'elles sont issues du milieu interstellaire. Alors, quelle hypothèse est la bonne ? « Probablement toutes, car ces molécules tantôt ont une origine terrestre, tantôt ont été apportées par des météorites carbonées, des micrométéorites et des comètes, explique Frances Westall, directrice de recherche CNRS au Centre de biophysique moléculaire (CBM) du CNRS (Elle est aussi directrice du Groupement de recherche « Exobio » qui cédera la place cette année, neuf ans après sa création, à une société savante d'« exobiologie »). Nous espérons bientôt disposer de quelques indications sur les processus chimiques qui aboutirent à la formation de ces molécules grâce aux données recueillies par la sonde Huygens de l'Agence spatiale européenne (ESA) lors de son atterrissage sur Titan en janvier 2005. Sur ce satellite de Jupiter, opère cette “chimie prébiotique” – ne faisant pas appel aux molécules biologiques. En modélisant les échanges entre l'atmosphère et le sol de ce satellite, nous pouvons donc espérer mieux comprendre à l'avenir ce qu'il s'est passé sur la Terre primitive. »

Être ou ne pas être

Enfin, comment ces molécules, une fois créées, se sont-elles assemblées entre elles pour donner du vivant ? À quoi ressemblait l'ancêtre commun à tous les organismes actuels ? Si bien des scénarios complexes ont été proposés, une hypothèse récente veut que l'acide ribonucléique ou ARN ait constitué le premier de tous les métabolismes, c'est-à-dire la première des machines où s'opéraient spontanément les transformations chimiques et énergétiques propres à la vie. La raison de cette idée bizarre ? « La découverte, voici une quinzaine d'années, que l'ARN est en mesure d'assurer les fonctions essentielles du vivant, explique Marie-Christine Maurel, de l'Institut Jacques Monod (Institut CNRS Universités Paris 6 et 7), et présidente du Conseil scientifique du programme interdisciplinaire du CNRS « Origine des planètes et de la vie », créé en 2006. Cette molécule peut porter l'information génétique tout en réalisant des actes catalytiques à la manière des protéines. D'où l'idée d'un monde originel constitué d'être primitifs ressemblant un peu aux “viroïdes”. Ces agents pathogènes des plantes sont en effet, à la différence des virus, faits d'ARN libres, c'est-à-dire d'ARN sans membrane associée. Ce qui en fait des candidats idéaux pour avoir été à l'origine de la vie. » Seconde interrogation majeure de l'exobiologie : où et comment trouver des traces de vie extraterrestre ? On peut espérer que des programmes comme « Search for Extra-Terrestrial Intelligence » (Seti) finiront un jour par repérer une intelligence du troisième type en détectant les émissions électromagnétiques produites par cette civilisation, ou que celle-ci prenne l'initiative de se manifester à nous. Mais les scientifiques en seront sans doute réduits pour longtemps encore à tenter de répondre à cette question par la recherche de traces d'activité biologique, ou, dans le meilleur des cas, de petits organismes du type bactérie. Près de nous, la planète Mars, et Europe, cette lune de Jupiter probablement dotée sous la glace qui la recouvre d'un océan interne, figurent au rang des premiers candidats. La planète rouge continue à mobiliser les exobiologistes, avec notamment le lancement de la sonde Exo-Mars de l'ESA qui s'efforcera à partir de 2016 de déterminer si une forme de vie rudimentaire a pu l'habiter ou l'habite toujours. Quant aux exoplanètes, le projet de mission Darwin, qui consisterait à envoyer dans l'espace des télescopes mis en réseau, pourrait permettre au-delà de 2020 de détecter une signature de vie. Les astronomes travaillent donc à des méthodes qui leur permettront de révéler la présence d'une vie en détectant dans son atmosphère des composés gazeux d'origine biologique. Ils planchent aussi, dans le cadre d'un projet de l'ESA baptisé « Bluedot », à des techniques de repérage de « planètes-océans », des objets célestes encore théoriques mais qui auraient, s'ils existent, la particularité d'être totalement recouverts par les eaux.

Les astres à l'honneur

L'année 2009 a été déclarée Année mondiale de l'astronomie par l'Unesco et les Nations Unies, sur l'initiative de l'Union astronomique internationale. Son objectif ? Permettre aux citoyens de redécouvrir leur place dans l'Univers et stimuler l'intérêt du public et particulièrement des jeunes pour l'astronomie et la science. Environ cent vingt pays y participent. En France, près de 300 projets – expositions, séances d'observation du ciel de jour comme de nuit, rencontres avec les astronomes, animations, jeux ou pièces de théâtre… – ont été labellisés. Le CNRS, avec l'Institut national des sciences de l'Univers et l'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules, y est très impliqué.

GLOSSAIRE

Biosignatures : Ce sont des traces chimiques, isotopiques et morphologiques laissées par l'activité biologique.

Acide ribonucléique ou ARN : Molécule similaire à l'ADN mais dont la composition chimique et la structure varient légèrement. Elle a de nombreuses fonctions dans l'organisme : transport de l'information génétique, réactions enzymatiques, etc.

Vahé Ter Minassian

Contact

Frances Westall, [e-mail]

Marie-Christine Maurel, [e-mail]

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