TPE 2004/05

1. TPE 2004/05 Lycée Sivard de Beaulieu Première Scientifique • Romain Laudescher • Dimitri Bertrand • Pierre-Jean Crespeau

2. Thème :L’Homme et la nature Sujet : La connaissance de la nature

3. INTRODUCTION

4. Débat sur la pluralité des mondes- Histoire - Le débat sur la pluralité des mondes a toujours fait rage dans notre société et dans les précédentes. Déjà les philosophes Grecs antiques envisageaient la possibilité que d’autres mondes existaient ailleurs avec d’autres dieux. Ils appelaient l’ensemble de ces mondes le cosmos ( kosmos ) . La thèse disparaît au Moyen-age au profit d’une autre, profondément religieuse : le monde est unique, crée de la main de Dieu. Cette thèse permet d’asseoir le pouvoir de l’Eglise catholique. En effet si il pouvait exister d autres monde, la création de Dieu aurait été multiple et il ne serait pas tourner seulement vers la Terre donc le pouvoir de l’Eglise ne serait pas globale et aussi fort.

5. Histoire ( suite ) Avec la révolution industrielle ( XIXe ), certaines peurs disparaissent notamment celles de la survie : le niveau de vie augmente, la médecine est connue, … C’est dans ce terrain fertile que va s’installer la peur de l’étranger, de l’extraterrestre. L’idée est lancé par un auteur anglais Herbert George Wells dans son roman La Guerre des Mondes paru en 1898. A la suite d une invasion extraterrestre la civilisation occidentale connaît de grave crise et finit par s’effondrer et disparaître. L’effet n’est pas immédiat sur la population mais l’idée est reprise en 1938 par un jeune animateur radio Orson Wells et sa troupe de comédiens. Le canular est tellement réaliste qu’une foule massive ( environ 1,6M d’hab. ) fuit les villes et l’ « envahisseur ». Malgré les démentis des jours suivants, la peur de l’invasion extraterrestre est désormais très prise au sérieux.

6. Histoire ( suite et fin ) A la fin de la guerre, les scientifiques reprennent le débat sur la pluralité des mondes mais sont divisés en deux communautés : ceux qui sont persuadés de leur existence et qui prétendent même leur passage sur la Terre et les autres plus réservé ou qui n’y croient pas. C’est dans ce contexte scientifique que le physicien Enrico Fermi évoque sa théorie qui deviendra le paradoxe éponyme. Enrico Fermi

7. Le Paradoxe de Fermi Pour Enrico Fermi la vie peut exister ailleurs et il part de deux principes admis : l’univers a 15 Ga et la vie existe chez nous depuis seulement 4,5. La vie aurait donc pu se développer ailleurs antérieurement a la vie terrienne et serait donc plus avancé technologiquement. Cette technologie associée au besoin vital de répondre à ses besoins les aurait forcé à coloniser d’autres systèmes. Et même si ces voyages sont très longs la possibilité de développer à terme un nombre donné de vaisseaux par planète permet de s’étendre au niveau de la galaxie entière très rapidement : on aurait donc du déjà voir ces extraterrestres ou alors une trace de leur technologie. Où sont ils ???

8. Application du Paradoxe Admettons que si des extraterrestres colonisent une planète ils l’ exploitent pendant 100 000 ans et y construisent 100 nouveaux vaisseaux de colonisation ( ce nombre est réaliste car il repose sur le système décimal ) avant de les envoyer coloniser tous simultanément : on peut alors déterminer le nombre de planètes pour chaque n00 000 années passées. C’est une suite géométrique. Vn = 100n donc au bout de 0,6 Ma => V6 = 1006 = 1x1012 Une galaxie contient a peu prés 3x1011 étoiles donc 3x1011 systèmes potentiels. Autrement dit au bout de 600 000 années la civilisation extraterrestre posséderaient 3 planètes colonisées par système !

9. Les débuts d’une nouvelle science La résolution du Paradoxe de Fermi est donc un premier moteur, une motivation dans la recherche scientifique de traces de vie extrasolaires ( au delà du système solaire ) et à terme la découverte et la rencontre d’ extraterrestres intelligents espérées par tant de spécialistes du sujet que l’on appelle des exobiologistes. Mais on ne peut expliquer l’ émergence de cette science l’exobiologie que par le seul paradoxe de Fermi. En effet d’autres découvertes ou expériences majeures y ont participé : la plus célèbre étant la « soupe de Miller »  ou encore la découverte de molécules organiques ( acide cyanhydrique, etc. ) dans des nuage interstellaire dans les années 70.

10. Problématique La recherche de la vie ailleurs occupent donc une partie de la communauté scientifique. Mais on peut se demander quels sont les intérêts de ces recherches pour l’ Homme. Quelles découvertes a-t-on faites depuis le début de recherches c’est à dire environ 50 ans ? Et qu est ce que les scientifiques envisagent de découvrir dans les futures décennies ? En synthétisé : Qu’est ce que la connaissance de l’exobiologie peut apporter à l’ Homme ?

11. I.Exobiologie et Sciencesrapprochées

12. Définition de l’exobiologie L’exobiologie est la science qui étudie les possibilités de développement de la vie hors du système solaire. Les exobiologistes cherchent à évaluer où d’autres forme de vie pourraient s’implanter et quelles formes elles pourraient prendre. Cependant l’exobiologie ne s’affirme qu à part entière pendant la période suivant la seconde guerre mondiale. Elle réunit tout d’abord des scientifiques de divers horizons comme Fermi, Drake ou Carl Sagan. Elle s’appuie autour de plusieurs théories reconnues par la communauté scientifique.

13. Théories Tout d’abord la recherche de la vie extrasolaire implique naturellement que la vie puisse exister ailleurs. Pour cela les scientifiques s’appuient sur le fait que les lois physiques qui régissent l’Univers sont universelles et donc s’appliquent partout. Donc si la vie peut apparaître sur la Terre elle pourrait aussi se développer ailleurs dans l’Univers Une des réponses apportés par les exobiologistes au paradoxe de Fermi consiste à dire que la vie est effectivement apparu ailleurs et qu’elle est restait a un stade pré-conscient ou en tout cas ne maîtrisant pas la communication, radio notamment. Dans ce cas les recherches se concentreraient autour de noyau possible de vie qu on imagine semblable aux conditions d’apparition de la vie sur la Terre il y a 3,5 Ga.

14. Equation de Drake Enfin une autre composante qui domine l exobiologie comme la résolution du Paradoxe de Fermi et la fameuse équation de Drake. Cette équation symbolique a pour but de rendre mathématique le calcul du nombre de civilisation avec laquelle nous pourrions communiquer à n’importe quel moment dans notre Galaxie. Pour cela Drake présente son équation comme une suite de facteur désignant chacun une donnée précise : N = R x fp x ne x fl x fi x fc x L Aujourd’hui cette équation est le symbole de l’exobiologie : on la retrouve sur des T-shirts et autre produits « dérivés »

15. Paramètres de l’équation L’ équation comprend donc plusieurs paramètres : N = Nombre de civilisation extraterrestre communicante dans notre Galaxie R = Nombre d’ étoiles dans une Galaxie fp = Fraction de ces étoiles possédant un système planétaire ne = Nombre de planètes similaires à la Terre ( position ) fl = Nombre de planètes où la vie c’est développé fi = Fraction de planètes ou une forme de vie intelligente est apparue. fc = Fraction des formes de vie intelligente capable de communiquer L = Durée de vie d’une civilisation technologique

16. On peut résumer les paramètres par ce schéma : Source : http://stungeonstudios.com/

17. Analyse des paramètres Ces paramètres concernent donc un domaine bien précis et se rapporte tous a une donnée différente. Ainsi on peut faire des rapprochement entre les paramètres et la science qui traite ces informations : N : étoiles => astronomie fp : système => (ex)astronomie ne : type Terre => astro./bio fl : vie => biologie / astronomie fi : Intelligence => biologie fc:communication=>radioastronomie L : durée de vie => biologie / philosophie Comme on peut le voir, les paramètres de l’ équation font appels à de nombreuses sciences. L’exobiologie n’est donc pas une science isolée mais les exobiologistes sont en relation avec des astronomes notamment; l’exobiologie réunit donc plusieurs scientifiques de spécialités diverses.

18. Paramétrisation de l’ignorance L’ effet symbolique de l’ équation de Drake c’est qu elle pose de manière scientifique le problème de l existence de la vie ailleurs. Avant que Francis Drake ne l’ établisse, il était unifié, complet alors que désormais il ne se trouve plus que sous la forme de facteur isolé : l ‘équation a dénouer le problème et à simplifier sa résolution car maintenant on sait quoi chercher. Elle a en même temps permis de donner un sens à un caractère pour l’instant abstrait car inconnu sous forme de facteur plus concret : c’est pour cela qu’on parle de « paramétrisation de l’ ignorance » Francis Drake devant sa célèbre équation (source )

19. Conclusion Pour conclure on peut dire que l’exobiologie est une science jeune mais qui regroupe en son sein des scientifiques d’autres spécialités comme des astronomes et des biologistes. Elle se rapproche de plusieurs sciences : astronomie, biologie, radioastronomie, … Ensuite l’ exobiologie repose sur des théories physiques et biologiques et aussi sur l’ équation de Drake qui est un chemin tracé pour arriver au but de l’exobiologie : la découverte d’ une vie extraterrestre ! L’exobiologie en est donc qu à son enfance et il lui reste tout ou presque à réaliser.

20. II. Moyens et Techniques

21. Missions spatiales A la recherche de fp et ne

22. Paramètres à définir L’ équation de Drake est donc une piste formidable pour les exobiologistes. Le premier facteur R qui concerne le nombre d’étoiles est connu des astronomes : de 1 à 4 x1011 étoiles dans une galaxie comme déjà dit. Ce chiffre étant immense les autres facteurs ont pour but de le réduire. Les paramètres suivants au contraire ne nous sont pas connus à commencer par les deux suivants fp et ne. Pour rappel fp est la fraction d’ étoiles possédant un système planétaire. Ne ,quant à lui, est un terme plus complexe : il s’agit de la fraction de planètes par système qui sont similaires à la Terre ( e = Earth ), c’est à dire toutes les planètes telluriques qui se situent dans l’écosphère de leur étoile ( orbite de planète favorable au développement de la vie , Glossaire ) et qui possèdent des « bio markers » : Ozone, CO2, etc.

23. Premières missions Ces dernières années, on a pu constater une multiplication des missions spatiales et des programmes terrestres concernant l’exobiologie de la part des deux grandes agences spatiales, la NASA et l‘ESA. Le but de ces premières missions et de résoudre une inconnue pour les exobiologistes et astronomes le facteur fp. Elles se concentrent donc sur la recherche d’ exoplanetes ou planètes extrasolaires. D’ ici une dizaine d ’année, les astronomes comptent envoyer de nouvelles sondes, plus perfectionnées, afin de découvrir ne et pourquoi pas fl.

24. Tableau des missions Voici les principaux programmes ou missions : en gras les missions. Exoplanètes Bio markers Hubble ( NASA ) Spitzer ( NASA ) Cassini/Huygens ( ESA ) => 2004 Corot ( ESA/France ) => 2006 Eddington ( ESA ) => 2008 Darwin ( ESA ) => 2016-2020 Terrestrial Planet Finder ( NASA ) => 2012-2015

25. Programmes spatiaux La différence entre un programme spatiale et une mission est simple : la mission a un but précis ( ex: planète a sondé, … ) alors que le programme s’ établit sur plusieurs années c’est l’exemple des télescopes en orbite. On remarque que la NASA a beaucoup d’avance aujourd’hui car elle bénéficiait déjà de programmes en cours comme Hubble qu elle a pu adapter à la demande des exobiologistes et astronomes. Mais le savoir faire de l’ ESA en terme d’ interférométrie notamment va permettre de rattraper le retard même si la communauté scientifique n est plus réellement tranchée en deux comme autant de la conquête de l’ espace dans les années 60 entre russes et étatsuniens.

26. Première exoplanète Les premières missions ont donc pour but de découvrir des exoplanetes. Mais comme l’univers est vaste les astronomes ne savent où chercher. On braque donc les télescopes vers des régions du ciel en espérant trouver quelque chose. La recherche aboutit pour la première fois en 1995 lorsque Michel Mayor découvre la première exoplanète nommée 51 Pegasi. Mais cette planète comme les 150 découvertes à ce jour, ne l’a été que par des méthodes et des principes indirects. 51 Pegasi sur une vue d’artiste, source

27. B. Principes d’ observation

28. 1) Imagerie directe En théorie le meilleur moyen de s’ assurer de la présence d’une exoplanète est de l’ observer directement. Malheureusement les observatoires terrestre ou les satellites en orbite n’ont pas encore la résolution nécessaire pour pouvoir apercevoir ces planètes. On a quand même réussi à photographier une exoplanète en avril 2004. Bien qu’ on n’ en soit pas sur sur le moment , car il aurait pu s’agir d’ une autre étoile en arrière plan, le suivi de l’ exoplanète suspectée a révélé l’année suivante qu elle tournait effectivement bien autour de son étoile une naine brune située à 230 années-lumières de la Terre. L’astre ( en rouge ) a été nommé 2M1207 Source :cieletespace

29. Photo chanceuse Mais cette image relève d’un concours de circonstance fructueux car la planète en question est de type Jupiter et elle tourne autour d’ une étoile minuscule appelée naine brune. Ce type d’étoiles a une masse très faible ( 25 Jupiter pour celle ci ) et ne peut donc pas engager des réactions de fusion thermo-nucléaire comme notre Soleil. Le rayonnement qu elle émet est beaucoup moins intense que celui d autres étoiles plus grosses et la planète est donc plus facile à détecter par image directe. Enfin la distance entre la planète et son étoile est de 55 Ua ( unité astronomique = distance Terre-Soleil ( 1Ua = 150 millions de kilomètres ) soit 8,25 milliards de kilomètre : la planète est décollée de son étoile qui de plus n’a pas une très grande luminosité. Cette photo est donc un petit miracle dans la chasse aux exoplanetes en attendant des perfectionnements des télescopes afin de prendre d’autres clichés.

30. Méthodes indirectes Comme il est très difficile de détecter des exoplanetes directement par observation, les astronomes passent donc par des méthodes indirectes. C’est à dire que par des observations des étoiles et des calculs on déduit qu’ elle possède une planète et on peut même calculer la densité du « compagnon », donc sa masse et ainsi son type : tellurique ou géante gazeuse. On distingue plusieurs méthodes : - le chronométrage des pulsars - la lentille gravitationnelle - les perturbations dynamiques - les variations de luminosité

31. 2) Chronométrage de Pulsars Qu’est ce qu’ un pulsar ? Un pulsar est une étoile à neutrons qui tourne rapidement sur elle même et qui possède un champ magnétique. Il se forme un pulsar lors de l’effondrement d’une étoile sur elle même : la force de compression est telle que les électrons et les protons fusionnent pour donner une étoile à neutrons. Comme l’étoile tourne sur elle même le faisceau électromagnetique revient à intervalle régulier ( de 1 à 15 secondes ). La découverte des pulsars a eu lieu en 1967. On pensa tout d’abord avoir trouvé un signal extraterrestre : c’était la preuve qu’une vie intelligente et communicante extraterrestre existait. Finalement on compris le phénomène et on appela ces étoiles des pulsars ( de la contraction pulsating star ) Remarque : Des sons de pulsars sont disponibles sur le disque.

32. Schéma d‘ un pulsar

33. Principe Quand un pulsar possède une planète, les deux astres tournent autour de leur centre de gravité. Mais les pulsars ont tendance à s’ en éloigner par périodes et la présence de la planète modifie ce délai. Ainsi les pulsations du pulsar vont s’en trouver altéré et ne pas être aussi stable : on a des retards ou des avances dans la réception des ondes. On peut par calcul connaître la masse du compagnon très précisément et donc découvrir des exoplanetes telluriques. C’est cette méthode qui a permis la découverte des trois premières exoplanetes autour du pulsar PSR1257+12 en 1991. Mais sur le moment on n’avait pas compris cette différence et les calculs ont été faits après la découverte de 51 Pegasi.

34. 3) Lentille gravitationnelle Quand on vise une étoile lointaine, si un objet massif étoile géante, nébuleuse ou galaxie se trouve proche de la ligne de visée la lumière est alors légèrement déviée et la luminosité varie. Si l’ étoile visée est associée à une exoplanète alors la déviation est modifiée brièvement donc la luminosité n’est pas la même que prévue. Les astronomes conclut alors à la présence d’une exoplanète autour de l astre observé. En observant des millions d’ étoiles sur 8 ans les astronomes espèrent découvrir une centaine de planète géantes et une dizaine de tellurique au moins.

35. Schéma Sur ce schéma l’objet qui fait office de lentille est une galaxie. Le premier cas est celui d une étoile solitaire, le second une étoile à compagnon proche et le troisième une étoile avec une planète en orbite large.

36. 4) Perturbations dynamiques Lois de Kepler Même si une étoile est largement plus massive qu une planète, elle ne représente pas la totalité de celle du système. Le centre de gravité de l’ étoile n’est donc pas le centre de masse du système. Les planètes tournent donc autour de l étoile mais plus particulièrement autour de centre de masse. L’ étoile aussi est concerné par ce mouvement. Cette loi fait parti des lois de Kepler au sujet des étoiles. Johannes Kepler, astronome allemand du XVI

37. Application Une étoile qui n a pas de planètes en orbite n’oscille donc pas e théorie. Ainsi quand les astronomes observent que l étoile bouge autour d un axe alors qu il garde la même ligne de visée cela signifie que l’ étoile possède une planète. Le centre de masse d’un système est comme le barycentre spatial des centres de gravité de l’ étoile et de son/ses compagnon(s). En observant l étoile au cours du temps on peut déduire la position de ce barycentre et la masse de l’ étoile. Par un calcul simple on peut ensuite trouver la masse de la planète et sa distance de l’ étoile. On s’est rendu compte que cette méthode est très utile pour mettre en évidence des planètes massive et proches du soleil insoupçonnée avant.

38. Schéma

39. 5) Variation de luminosité Quand on vise une étoile et qu’une planète lui passe devant au même moment la lumière de l’ étoile faiblit légèrement. C’est le principe de l ‘éclipse. Cette variation de luminosité peut atteindre 1% si la planète est de taille jupitérienne et seulement 1/100 pour une planète tellurique. On peut déduire de cette baisse de luminosité la taille de la planète selon le pourcentage de baisse et sa révolution ( le temps mis par une planète pour faire une orbite complète = 365,25 jours pour la Terre ) en mesurant la durée entre deux de ces variations.

40. Méthode d’avenir Cette méthode est celle qui se rapproche le plus de l’imagerie directe puisque on observe une sorte d ombre sur l étoile formé par la planète. Mais on ne sait pas situé cette ombre. Si on arrivait à la localiser on pourrait observer la planète elle même et la lumière qu elle émet afin de trouver les bio markers nécessaire pour résoudre ne. En effet là ou toutes les autres méthodes ne permettent que de déduire la présence d une planète, cette méthode pourrait permettre de rejoindre l’imagerie directe grâce à une nouvelle technologie qui est en cours de développement : l’ interférométrie et le coronographe d’ interférométrie.

41. 6)Interférométrie L’ interférométrie est un principe radio astronomique qui consiste à relier plusieurs télescopes afin d augmenter la résolution des images et reconstituer des astres en trois dimensions. Dans le cas de la variation de luminosité il s’agirait de pouvoir isoler la lumière de l’ exoplanète de celle de son étoile afin de pouvoir étudier son spectre lumineux. Pour cela on a recours à un satellite appelé coronographe d’ interférométrie. Un coronographe classique est un télescope qui permet de cacher le centre lumineux de l’étoile afin de voir sa couronne ( d’où le nom coronographe ) Etoile Exemple de Coronographe classique

42. Coronographe d’ interférométrie Un coronographe d’ interférométrie c’est donc plusieurs satellites reliés entre eux qui utilisent ce principe mais non pas pour étudier la couronne de l’étoile mais son compagnon. Chaque satellite transmet donc une image avec la variation de luminosité à un satellite traitant qui calcule la position de la planète suivant les différents angles de chaque coronographe particulier. Il localise alors la planète active son écran et peut enregistrer la lumière renvoyé par la planète afin d en faire un spectre et déterminer la composition de son atmosphère ( H2O, O3, CO2, CH4, … ) Ce type d’instrument est en cours de développement notamment pour la mission Darwin de l’ ESA qui devrait être lancé en 2015 et produire ses premiers résultats d’ici 2020.

43. Schéma Vue d’ artiste de la mission Darwin : on reconnaît 6 petits coronographes et le satellite principal.

44. C. Une autre voie de recherche Résoudre N : Communiquer avec les extraterrestres

45. Le Programme SETI Alors que la plupart des astronomes et exobiologistes cherchent à résoudre les paramètres de l’ équation de Drake dans leur ordre : d’abord fp puis ne. D’autres astronomes cherche directement à résoudre l’ équation en cherchant N. Ces astronomes sont réunis dans un programme privé nommé SETI ( Search for ExtraTerrestrial Intelligence ) Ce programme de recherche a été lancé par deux physiciens Giuseppe Cocconi et Philippe Morrisson en 1959. Depuis le programme a changé de main mais l’objectif est resté le même. Ce programme est ouvert à n’importe qui puisque tout particulier équipé d’ un ordinateur connecté à Internet régulièrement voir en permanence peut y participer en y installant un logiciel qui traite des données et les renvoie sur le serveur du programme.

46. Télescope Arecibo Les données traitées proviennent de télescopes géants comme celui d’ Arecibo situé à Porto Rico ou d’autres grands télescopes de la cordillère des Andes. Arecibo est le plus grand télescope au monde avec ses 305 mètres de diamètre soit une superficie de 73 000 m².

47. Messages extraterrestres Le projet séduit car nombre de participants souhaitent que leur ordinateur est décrypté le premier message extraterrestre Mais pour l’instant les «  oreilles » d’Arecibo et du programme SETI n’ont capté aucun signal attribué aux extraterrestres mais le programme n’est engagé que depuis 46 ans ce qui est très négligeable par rapport aux 15 Ga de l’univers alors les radioastronomes et les milliers de participants ne désespère pas. N est donc toujours limité à 1 c’est à dire notre civilisation !

48. D. Conclusion

49. On peut dire que la recherche d’ exoplanetes explose par le nombre de programmes spatiaux qui lui sont consacrés et que les méthodes utilisées par les scientifiques sont très au point même si elles peuvent encore s’ améliorer notamment grâce à l’ interférométrie. En effet on en est aujourd’hui a pas moins de 150 exoplanetes découvertes; Ensuite la détermination des facteurs de l’ équation de Drake est toujours à l’ ordre du jour et le facteur fp commence à être mieux apprécié par les astronomes. Mais mêmes si des programmes fonctionnent en parallèle comme SETI l’ équation reste bloqué à 1. Enfin on a le droit de croire dans les programmes de la nouvelle génération comme Darwin qui vont enfin essayé de nous apporter un éclaircissement au sujet du facteur ne.

50. Bilan et nouvelles attentes