À la recherche de la vie extra-terrestre

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Publié le 11 septembre 2014

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La surface gelée et fissurée d’Europe (ici colorisée à partir d’images de la sonde Galileo) dissimule un océan liquide où existent peut-être tous les éléments nécessaires à la vie. © Projet Gelileo/Nasa/JPL

La vie existe-t-elle ailleurs que sur la Terre ? Cette question qui hante l’humanité pourrait bientôt trouver une réponse. Peut-être même dans notre système solaire.

Un signal électronique émis au Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la Nasa, en Californie, parvient à un robot téléguidé, sous une couche de glace de 30 cm, dans un lac d’Alaska. Le phare du robot s’allume.

« Ça marche ! », s’exclame John Leichty, un jeune ingénieur du JPL blotti sous une tente, près du lac. Ça n’a pas l’air d’un exploit technologique, mais c’est peut-être le premier pas vers l’exploration d’une lune lointaine.

À plus de 7 000 km de là et à 15 m sous terre, une géomicrobiologiste patauge dans les eaux troubles et les ténèbres d’une grotte mexicaine. Comme chacun des scientifiques qui l’accompagnent, Penelope Boston est munie d’un respirateur et d’une réserve d’oxygène.

Du sulfure d’hydrogène et du monoxyde de carbone, deux gaz mortels, s’infiltrent souvent dans la grotte. Soudain, le rayon de sa lampe frontale se pose sur une goutte d’un fluide épais et translucide qui s’allonge en suintant d’un éboulis de craie. « N’est-ce pas mignon ? », s’écrie Boston.

Ce lac arctique et cette grotte tropicale pourraient fournir des indices sur l’un des plus vieux mystères qui hantent l’humanité : y a-t-il de la vie au-delà de notre planète ? S’il en existe, ce pourrait être dans notre système solaire ou en orbite autour d’autres étoiles.

L’astrobiologiste Kevin Hand se prépare à larguer un rover sous la glace d’un lac d’Alaska. Quand une sonde atteindra Europe, elle profitera de ces tests dans sa quête du vivant. La Nasa conçoit un lanceur lourd qui, selon Hand, permettra « d’atteindre très rapidement Jupiter ou Europe ». © Mark Thiessen

Et on pourrait fort bien en repérer la trace dans des océans couverts de glace (comme pour Europe, une lune de Jupiter) ou dans des grottes remplies de gaz (peut-être très nombreuses sur Mars).

C’est pourquoi trouver sur Terre comment isoler et identifier des formes de vie se développant dans des environnements extrêmes constituerait un grand pas en avant vers la vie… ailleurs.

Difficile de préciser quand la quête de la vie extraterrestre a basculé de la fiction vers la science. Mais une étape essentielle se situe en novembre 1961. Frank Drake, un jeune radioastronome intéressé par l’idée de chercher des signaux radio venus de l’espace, organisa une réunion d’astronomes.

À l’époque, la recherche d’une intelligence extraterrestre (ou Seti, pour Search for Extraterrestrial Intelligence) « était un sujet tabou en astronomie », se souvient Drake, aujourd’hui âgé de 84 ans.

Mais il parvint à réunir une poignée d’astronomes, chimistes, biologistes et ingénieurs pour discuter de ce qu’on appelle désormais l’astrobiologie (ou encore exobiologie) – la science de la vie au-delà de la Terre.

Consacrer du temps à rechercher des signaux extraterrestres par radiotélescope était-il bien pertinent ? Si oui, quelle serait la meilleure façon de procéder ? Combien de civilisations pouvaient se trouver dans l’Univers ?

Voilà les points que Drake voulait cerner avec l’aide des experts. Avant l’arrivée des participants au colloque, il griffonna une équation proposant une méthode pour répondre à la question initiale.

Primo, déterminez le taux de formation d’étoiles similaires à notre Soleil dans la Voie lactée. Secundo, multipliez-le par la fraction de ces étoiles pourvues d’un système de planètes. Tertio, multipliez par le nombre moyen de planètes potentiellement habitables (donc d’une taille proche de celle de la Terre et à une bonne distance de leur étoile) dans un tel système.

Maintenant, multipliez le tout par la fraction de ces planètes où la vie apparaît ; puis par la fraction de planètes où la vie évolue vers une forme d’intelligence ; puis encore par la fraction où cette intelligence pourrait développer une technologie permettant l’émission de signaux radio que nous pourrions capter.

Enfin, multipliez le nombre de civilisations accédant au stade de la radio par la durée moyenne de leur capacité à émettre ou même à survivre.

Mais il y avait un problème : nul n’avait la moindre idée de la valeur de ces fractions ou nombres, sauf pour le taux de formation des étoiles de type solaire. Et plus de trente ans auront été nécessaires pour que des scientifiques avancent de simples estimations.

L’équation de Drake, formulée en 1961 N=R*׃p×ne׃l׃i׃c×L

En 1995, Michel Mayor et Didier Queloz, de l’université de Genève, ont détecté la première planète extrasolaire en orbite autour d’une étoile similaire à notre Soleil. Appelée 51 Pegasi b, cette énorme boule gazeuse, moitié moins grande que Jupiter, se situe à environ 50 années- lumière de la Terre. Son orbite est si réduite que son « année » ne dure que quatre jours et que sa température en surface dépasse les 1 000 °C.

En lançant la recherche de civilisations extraterrestres par leur émission d’ondes radio, dans les années 1960, Frank Drake fut le précurseur de l’astrobiologie. Il a aujourd’hui 84 ans et s’est fixé un autre but : capter des signaux lumineux venus des civilisations extraterrestres. © Mark Thiessen

Personne n’imaginait que la vie fût possible dans un tel environnement. Mais la découverte de cette première exoplanète représentait une avancée considérable. L’année suivante, une deuxième fut découverte, puis une troisième.

À ce jour, les astronomes ont confirmé l’existence de près de 2 000 planètes au-dehors de notre système solaire. Leurs tailles sont variées – inférieure à celle de notre Terre ou supérieure à celle de Jupiter. Et l’existence de milliers d’autres exoplanètes attend d’être confirmée.

Aucune d’entre elles n’est une réplique exacte de la Terre. Mais les scientifiques y croient : la découverte d’une planète identique ne devrait plus tarder. En se fondant sur les planètes un peu plus grosses déjà recensées, des astronomes ont calculé récemment que des planètes habitables, comparables à la Terre, orbitent autour de plus d’une étoile de type solaire sur cinq.

Il n’y a cependant nulle raison de limiter notre quête aux étoiles de type solaire. Voilà ce que les chasseurs de planètes réalisent depuis peu. « Au lycée, se souvient David Charbonneau, astronome à Harvard, on m’a appris que la Terre orbitait autour d’une étoile de taille moyenne. C’est faux. » En fait, 80 % des étoiles de la Voie lactée sont des naines rouges – des étoiles de type M, petites, froides, sombres et rougeâtres.

Si une planète similaire à la Terre orbitait à la bonne distance d’une naine rouge (donc plus près de celle-ci que la Terre ne l’est du Soleil), la vie pourrait y apparaître aussi aisément que sur une planète comparable par sa taille et son orbite à la Terre gravitant en orbite autour d’une étoile de type solaire.

Mieux : on estime désormais qu’une planète habitable n’a pas forcément la taille de la Terre. « Je dirais que n’importe quelle masse entre une et cinq fois celle de la Terre est l’idéal », estime Dimitar Sasselov, lui aussi astronome à Harvard.

Bref, la variété des planètes habitables et des étoiles autour desquelles elles sont susceptibles d’orbiter est bien plus considérable que ce que Drake et ses collègues avaient imaginé. 

On sait aussi que la gamme de températures et d’environnements chimiques où des organismes extrêmophiles pourraient se développer est nettement plus large que celle envisagée en 1961.

Dans les années 1970, des océanographes ont découvert des cheminées hydrothermales très chaudes maintenant un écosystème riche en bactéries. Ces microbes se nourrissent de sulfure d’hydrogène et d’autres éléments chimiques dissous dans l’eau, puis alimentent à leur tour des organismes supérieurs.

Des scientifiques ont aussi trouvé des formes de vie abondantes dans des sources chaudes comme à des centaines de mètres sous la surface de lacs antarctiques gelés. Ils en ont déniché dans des environnements hautement acides ou alcalins, fortement salins ou radioactifs, et même dans d’infimes crevasses au cœur de roches dures, à 1 km ou plus sous la surface terrestre.

« Sur Terre, ce sont des niches environnementales, observe Lisa Kaltenegger, astronome à Harvard et à l’Institut Max-Planck. Mais, sur une autre planète, on pourrait sans difficulté envisager que ces milieux sont la norme. »

Telle que nous la connaissons, la vie exige trois ingrédients : de l’eau liquide ; des éléments chimiques essentiels tels que le carbone, l’azote et le soufre ; et une source d’énergie. Bien que située à 800 millions de kilomètres du Soleil, Europe possède un océan liquide sous son couvert de glace et les éléments nécessaires à l’apparition de la vie sur son plancher océanique rocheux. © Dana Berry

Il existe toutefois un facteur crucial pour la vie telle que nous la connaissons, considèrent les biologistes. Et c’est la présence d’eau liquide. Celle-ci est en effet un puissant solvant, capable de transporter des nutriments dissous dans toutes les parties d’un organisme.

Mais où peut-on trouver de l’eau dans notre système solaire ? Nous savons depuis 1971 et la mission Mariner 9 en orbite autour de Mars que de l’eau a coulé sur la planète Rouge. La vie aurait donc pu s’y manifester, à tout le moins sous une forme microbienne (et il n’est pas invraisemblable qu’elle puisse persister dans le sous-sol, là où de l’eau pourrait subsister).

La surface d’Europe, une lune de Jupiter, laisse aussi voir des fissures dans la couche de glace relativement jeune qui la recouvre. C’est la preuve de la présence d’un océan d’eau liquide sous la glace.

À environ 800 millions de kilomètres du Soleil, l’eau devrait être gelée. Mais les forces de marée de Jupiter et de plusieurs de ses autres satellites ne cessent de remodeler Europe en produisant de la chaleur qui pourrait liquéfier l’eau souterraine. En théorie, la vie pourrait aussi exister dans ces conditions.

En 2005, la sonde américaine Cassini a repéré des panaches d’eau à la surface d’Encelade, un satellite de Saturne. Ses mesures ont ensuite établi la présence d’eau liquide souterraine.

Des rivières et des lacs parsèment aussi la surface de Titan, le plus gros satellite de Saturne. Et il y pleut ! Sauf que son cycle météorologique se fonde sur des hydrocarbures liquides tels que le méthane et l’éthane, et non sur l’eau.

On pourrait donc trouver de la vie sur Titan. Mais de quelle nature ? Difficile à imaginer. Comparée à ces lointains satellites, Mars est bien plus semblable à la Terre – et bien plus proche.

C’est à plus de 800 m sous la glace de l’Antarctique, dans le lac Whillans, qu’a été collecté ce microbe, en 2013. Une preuve que la vie peut s’adapter aux environnements les plus extrêmes. © Mark Thiessen

Curiosity, un rover de la Nasa, y explore actuellement le cratère Gale, qui abritait un énorme lac voilà des mil- liards d’années. On sait désormais que son environnement chimique aurait pu être favorable à des microbes … si tant est qu’ils aient existé.

Il y a très loin d’une caverne mexicaine à la planète Mars, et d’un lac d’Alaska à une lune de Jupiter. C’est pourtant cette même quête de la vie extraterrestre qui a conduit Kevin Hand, astrobiologiste au Jet Propulsion Laboratory (JPL), vers le lac Sukok, et qui a attiré Penelope Boston dans les effluves empoisonnés de la grotte de Villa Luz, au Mexique.

Ils peuvent tester sur ces sites de nouvelles techniques pour rechercher de la vie dans des environnements assez proches de ceux que pourraient rencontrer les sondes spatiales. Les scientifiques s’intéressent entre autres aux bio-signatures, les indices chimiques ou visuels révélant que la vie est ou a été présente.

Prenons la grotte mexicaine. On sait grâce à des véhicules spatiaux que Mars recèle aussi des grottes. Or c’est le genre de lieux où des microbes auraient pu trouver refuge quand la planète a perdu son atmosphère et son eau de surface, voilà environ 3 milliards d’années.

Ces hôtes des cavernes auraient alors dû survivre en usant d’une autre source d’énergie que la lumière solaire… comme le font ces dégoulinements peu appétissants (appelés des « snottites ») dont la découverte a enthousiasmé Penelope Boston dans la grotte de Villa Luz !

L’endroit en abrite des milliers, longs de 1 cm à plus d’un demi-mètre, et qui ressemblent étrangement à des mucosités. Il s’agit en fait d’un biofilm – une communauté de microbes tenus ensemble dans une goutte visqueuse.

Les snottites, explique Boston, « oxydent le sulfure d’hydrogène, qui constitue leur unique source d’énergie, et produisent ainsi le liquide gluant dans lequel ils vivent. » Ils ne représentent toutefois que l’une de la bonne douzaine de communautés microbiennes recensées dans cette grotte, selon Boston : « Chacune se distingue par son apparence physique et par la façon dont elle se procure des nutriments. »

L’une d’entre elles est spécialement intrigante. Elle ne forme ni coulées ni grosses gouttes, mais dessine des motifs aux murs de la grotte : des points, des traits, et même des réseaux de lignes. Les astrobiologistes appellent ce genre de motifs des « biovermiculures ».

Des snottites (biofilms de bactéries) se nourrissant de composés de soufre suintent des murs sombres de la grotte de Villa Luz, au Mexique. Ils servent à leur tour de nutriments aux moucherons de la cavité. © Mark Thiessen

Or ces motifs ne sont pas uniquement l’œuvre de micro-organismes vivant sur les parois de certaines grottes. « Il en existe de tailles différentes, en général dans des endroits où les nutriments sont comptés », explique Keith Schubert, ingénieur à l’université Baylor (Texas).

Ce spécialiste des systèmes d’imagerie est descendu dans la grotte de Villa Luz. Il y a installé des caméras permettant des enregistrements de longue durée. Des herbacées et des arbres poussant dans des régions arides créent aussi ces motifs vermiculés, indique Schubert, ainsi que des croûtes du sol (qui sont elles-mêmes des communautés bactériennes), des mousses et des lichens dans des milieux désertiques.

Si cette hypothèse est avérée, une étape capitale aura alors peut-être été franchie. Jusqu’à présent, les astrobiologistes en quête d’indices de vie ont surtout recherché les éléments gazeux, comme l’oxygène, émis par des organismes sur notre planète. Or l’oxygène n’est peut-être que la biosignature d’une forme de vie parmi beaucoup d’autres.

« Ce qui me rend enthousiaste à propos des biovermiculures, dit Boston, c’est que nous en avons découvert à des échelles et dans des environnements radicalement différents, et pourtant nous retrouvons toujours des motifs très similaires. »

Ces motifs répondent aux simples règles du développement et de la compétition pour la nourriture. Selon Boston et Schubert, on peut tout à fait imaginer qu’ils constituent une véritable signature universelle de la vie.

En outre, les communautés bactériennes des grottes laissent derrière elles des dessins identiques, même quand elles meurent. Si jamais un rover repérait des dessins similaires sur la paroi d’une grotte martienne, affirme Keith Schubert, « cela pourrait nous indiquer où concentrer nos recherches ».

Les scientifiques et les ingénieurs qui grelottent de froid au bord du lac Sukok, en Alaska, accomplissent une mission analogue. Du méthane remonte du fond du lac et provoque des bouillonnements en surface. Ce qui peut réduire la formation de la glace.

C’est ce méthane qui a attiré les scientifiques au Sukok et sur d’autres lacs alentour, en 2009. Très répandu, cet hydrocarbure est produit par l’action de micro-organismes dits « méthanogènes ».

Ceux-ci décomposent la matière organique et laissent une autre biosignature potentielle que les astrobiologistes pourraient chercher sur des mondes différents. Mais les volcans et d’autres sources non biologiques émettent aussi du méthane.

Enfin, il s’en forme naturellement dans l’atmosphère de planètes géantes comme Jupiter, ou dans celle de Titan, le plus grand satellite de Saturne.

Il est donc crucial de savoir faire la distinction entre les deux méthanes, le biologique et le non biologique. Si, comme Kevin Hand, vous étudiez Europe et sa surface de glace, le lac Sukok et sa glace riche en méthane n’est pas le plus mauvais endroit pour approfondir ses connaissances.

Des scientifiques du Jet Propulsion Laboratory de la Nasa inspectent une sonde semblable à celle qui pourrait voyager un jour sous la glace d’Europe, une lune de Jupiter. © Mark Thiessen

Pour ses recherches en exobiologie, Hand privilégie Europe à Mars. Supposez que nous allions effectivement sur Mars, dit-il, et que nous trouvions sous sa surface des organismes basés sur l’ADN – comme la vie sur Terre.

Cela pourrait signifier que l’ADN est une molécule universelle du vivant, ce qui n’est pas exclu. Mais cela pourrait aussi signifier que les vies sur la Terre et sur Mars partagent une même origine.

Nous savons avec certitude que des roches éjectées de Mars lors de collisions avec des astéroïdes sont retombées sur la Terre. Des roches terrestres auraient également pu effectuer le voyage inverse. Si des microbes vivants avaient été piégés dans ces roches et avaient survécu à leur périple dans l’espace, ils pourraient avoir créé une souche microbienne sur l’une ou l’autre des deux planètes.

« Si la vie sur Mars devait reposer sur l’ADN, poursuit Hand, je crois qu’il nous serait difficile de savoir s’il s’agit ou non d’un ADN d’une origine différente de celui de la vie sur la Terre. »

Europe est bien plus loin de la Terre que Mars. Supposons qu’on y découvre de la vie. Cela ferait pencher la balance vers une origine différente, même si l’ADN y joue un rôle déterminant.

Europe semble bien réunir les éléments fondamentaux à l’émergence de la vie. L’eau liquide y abonde. Et le fond de son océan pourrait receler des cheminées hydrothermales similaires à celles de la Terre, qui seraient susceptibles de fournir des nutriments à une forme de vie – quelle qu’elle soit.

Les comètes qui s’y écrasent fréquemment déposent des composés organiques qui pourraient constituer des sources élémentaires du vivant. Enfin, les particules émises par le rayonnement de Jupiter séparent l’hydrogène et l’oxygène présents dans la glace, produisant ainsi toute une série de molécules.

Des organismes vivants pourraient utiliser celles-ci pour métaboliser les nutriments chimiques issus des cheminées hydrothermales.

Reste une grande inconnue : ces éléments chimiques pourraient-ils traverser en totalité la couche de glace ? Une couche sans doute épaisse de 15 à 25 km, mais criblée de fissures.

Début 2013, Kevin Hand et Mike Brown, un astronome de l’Institut de technologie de Californie (Caltech), ont observé Europe avec le télescope Keck II, situé à Hawaii, et montré que des sels semblaient remonter en surface de la couche de glace, au travers de certaines de ces fissures.

Puis, à la fin 2013, une autre équipe travaillant avec le télescope spatial Hubble a signalé des panaches d’eau liquide jaillissant du pôle Sud d’Europe. Conclusion : la couche de glace du satellite n’est pas impénétrable.

Il paraît essentiel d’envoyer une sonde en orbite autour d’Europe. Hélas, l’entreprise a été jugée trop coûteuse (4,7 milliards de dollars). Une équipe du JPL menée par Robert Pappalardo a alors retravaillé le projet.

Un rover amphibie évolue sous la glace du lac Sukok, lors d’un test en Alaska. Des bulles de méthane et d’autres composés témoignent que la vie est présente dans ces eaux. © Mark Thiessen

La nouvelle sonde, Clipper, se placerait en orbite autour de Jupiter, et non d’Europe. Avantage : une économie de propergol et d’argent. Inconvénient : il faudrait survoler au moins quarante-cinq fois Europe pour tenter de comprendre les chimies de sa surface et de son atmosphère et, par déduction, celle de son océan.

Tout compris, évalue Pappalardo, la nouvelle mission coûterait moins de 2 milliards. Si le projet est validé et trouve des financements, dit-il, « nous envisageons un lancement vers le milieu des années 2020 ».

Si celui-ci s’effectue avec une fusée Atlas V, la durée du voyage vers Europe serait de six années, mais « nous pour- rions arriver là-bas en 2,7 ans » en recourant au Space Launch System (SLS), un lanceur lourd en cours de réalisation par la Nasa.

La sonde Clipper suffira-t-elle à trouver de la vie sur Europe ? C’est peu probable. Mais elle pourrait fournir des arguments pour l’envoi ultérieur d’un rover qui creuserait la surface du sol afin d’en étudier la chimie. Clipper pourrait aussi repérer les meilleurs emplacements pour qu’un tel atterrissage puisse avoir lieu.

En bonne logique, l’étape suivante serait de lancer une sonde pour explorer l’océan d’Europe. Un exercice bien plus ardu en fonction de l’épaisseur de la glace (autre option : atteindre un lac peu profond prisonnier de la couche de glace supérieure).

« À supposer que l’exploration des profondeurs océaniques d’Europe devienne une réalité, dit Hand, nous aurons accompli un pas aussi gigantesque du point de vue technologique que l’a été le passage d’Australopithecus à Homo sapiens sur le plan de l’évolution. »

Le rover assez simple testé actuellement par Hand et son équipe dans le lac Sukok peut se déplacer sous 30 cm de glace. Sa flottabilité le maintient fermement contre l’intérieur de la couche de glace. Ainsi, ses capteurs mesurent la température, la salinité, le potentiel hydrogène (pH) et d’autres caractéristiques de l’eau.

L’instrument ne cherche pas directement des organismes vivants. C’est là le travail des scientifiques qui se concentrent sur un autre aspect du projet dirigé par Hand. Parmi ceux-ci figure John Priscu, de l’université du Montana.

En 2013, il a découvert des bactéries à 800 m sous la calotte glaciaire de l’Antarctique. Il enquête sur les particularités qui permettent à la vie de s’épanouir dans des environnements glacés et sur les organismes qui y vivent effectivement.

Aussi utile qu’elle soit, l’étude des organismes extrêmophiles ne peut fournir que des indices terrestres sur un mystère extraterrestre. Mais nous disposerons bientôt de moyens inédits pour préciser des inconnues de l’équation de Drake.

Par exemple, la Nasa a approuvé la construction d’un nouveau télescope spatial. Tess (pour Transiting Exoplanet Survey Satellite) tentera de détecter des planètes autour des étoiles les plus proches de nous. Il fournira ainsi des cibles idéales aux astrophysiciens en quête d’atmosphères planétaires où rechercher des biosignatures gazeuses. Lancement prévu en 2017.

L’attention portée aux biosignatures et aux extrêmophiles repose sur l’hypothèse que la vie sur d’autres mondes ressemblera à celle sur la Terre, à savoir un assemblage de molécules complexes où le carbone joue un rôle essentiel et l’eau celui de solvant.

Pourquoi ce postulat ? D’abord, parce que ces deux éléments abondent dans la Voie lactée. Ensuite, parce qu’on ignore comment chercher une forme de vie qui ne soit pas fondée sur le carbone – on ne sait pas à quoi ressemblerait sa biosignature.

« Si nous nous limitons à ces recherches, nous risquons d’échouer, affirme Dimitar Sasselov, astronome à Harvard. Nous devons nous efforcer de comprendre au moins quelques autres possibilités et quelles pourraient être leurs signatures atmosphériques. »

Fidèle à ce principe, l’équipe de Sasselov recherche donc des biologies alternatives – par exemple, un cycle du soufre qui pourrait se substituer au cycle du carbone dominant la biologie terrestre.

En toile de fond de toutes ces recherches, on retrouve le dessein qui donna naissance à l’astrobiologie voilà plus d’un demi­siècle. Frank Drake poursuit sa quête de signaux extraterrestres.

Déçu par le tarissement des financements pour la recherche d’ondes radio, il s’enthousiasme pour un nouveau projet de détection de flashes lumineux extraterrestres.

« Toutes les approches méritent d’être tentées, affirme­t­il, car nous ne sommes guère doués pour imaginer ce que des extraterrestres pour­ raient bien faire en réalité. »       

Michael D. Lemonick