La nouvelle a fait grand bruit hier, de la vie a été trouvée sur Vénus ! … enfin des traces de vie … enfin des traces d’un composé chimique, la phosphine, qui pourrait être dû à une forme de vie.

(Edit du 19/11 : voire carrément des traces de rien du tout, cf la fin du billet)

J’ai lu l’article scientifique paru dans la revue Nature Astronomy [1], alors je vais essayer de vous en faire une restitution. L’idée est surtout de vous montrer comment les chercheuses et chercheurs ont procédé, et vous allez voir que c’est un peu plus compliqué que d’appuyer sur le bouton on/off et de lire le résultat.

La phosphine

La formule de la phosphine, c’est PH3 : trois atomes d’hydrogène accroché à un atome de phosphore. Ce qui rend ce composé si particulier, c’est qu’on ne s’attend pas trop à le trouver à l’état naturel, notamment sur les planètes rocheuses. La raison, c’est une histoire d’oxydo-réduction.

En présence d’oxygène, le phosphore va plutôt avoir tendance à se lier avec des atomes d’oxygène qui vont le cas échéant déloger les atomes d’hydrogène. On va plutôt donc trouver des composés de type phosphates, ou de l’acide phosphorique H3PO4. Un composé comme PH3 ne peut donc se maintenir et se former que dans des conditions très réductrices, avec très peu d’oxygène disponible.

Or les planètes rocheuses présentent justement des conditions très oxydantes, notamment du fait de leur croûte pleine d’atomes d’oxygène (liés aux métaux pour former des oxydes comme la silice SiO2, l’alumine Al2O3, …), atomes d’oxygène qui vont aussi se retrouver dans l’atmosphère . Donc même si la production de phosphine peut survenir dans l’intérieur d’une planète rocheuse, on s’attend à ce qu’elle soit détruite en traversant la croûte.

Sur Terre, on en trouve malgré tout un tout petit peu. Des mesures effectuées dans l’eau [2] suggèrent qu’il y en a de l’ordre d’un nanogramme par m3. En proportion, ça fait de l’ordre de 0.000001 ppm (je rappelle : 1ppm c’est 0.0001%). Et cette concentration serait due à des processus biologiques, notamment de certaines bactéries.

Retenez que ça n’est pas la phosphine en soi qui est intrigante, c’est sa présence sur une planète rocheuse. Par exemple sur Jupiter et Saturne, la phosphine est un composé « abondant », avec 1ppm pour la première et 4ppm pour la seconde.

Sur la base de tout ça, on peut donc considérer que la présence de phosphine sur une planète rocheuse est une «biosignature», c’est-à-dire un indice d’une possible présence de vie.

La détection

Comme vous pouvez vous en douter, détecter de la phosphine sur une planète distante n’est pas une mince affaire. Ca n’est pas comme si on avait pu aller prélever un échantillon sur place.

Pour cela, on se base donc sur des techniques de spectroscopie : en analysant la lumière (au sens large) qui nous parvient de la planète, on va essayer de déduire certains aspects de la composition de son atmosphère. En effet toutes les molécules absorbent certaines longueurs d’onde, ce sont les longueurs d’onde dont les photons ont une énergie correspondant à certaines énergies d’excitation de la molécule.

La planète émet un rayonnement que l’on sait modéliser de façon théorique, et tout « manque » dans le signal à certaines longueurs d’onde trahit la présence de la molécule concernée dans l’atmosphère.

Dans le cas qui nous concerne, la phosphine possède une excitation rotationnelle correspondant à une longueur d’onde de 1.123 mm (267 Ghz pour ceux qui préfèrent). On est à la frontière entre l’infra-rouge lointain et les micro-ondes (c’est pour ça que je parlais de lumière « au sens large »). L’équipe a donc utilisé le James Clerck Maxwell Telescope (JCMT) pour scruter cette bande d’absorption.

Une des difficultés, c’est que si l’on connait la longueur d’onde théorique correspondant à l’absorption, il y a un phénomène qui va perturber les choses en pratique : l’effet Doppler. La vitesse relative qui existe entre Vénus et le téléscope va donc décaler les lignes spectrales, et il faut donc effectuer un travail de reconstruction du signal.

En pratique, l’équipe a obtenu la courbe ci-dessous, qui montre qu’une fois recalé sur la bande d’absorption concernée et dans le référentiel de Vénus, le signal est bien compatible avec un excès d’absorption.

Alors c’est bon ? Pas si vite ! Déjà il faut savoir que le travail de reconstruction est loin d’être trivial, il suffit d’essayer de lire ce passage de l’article pour s’en convaincre ! Ensuite, est-ce qu’il pourrait s’agir d’un bruit ? Une fluctuation statistique ou bien un artefact ? Pour se convaincre de leur capacité à bien reconstruire ce genre de signal, l’équipe a réalisé un travail similaire sur la longueur d’onde à 1.126mm, qui correspond à un niveau d’énergie de l’eau deutérée (HDO, où D est un atome de deutérium). On sait qu’il y en a sur Vénus, environ 2.5ppb, donc pas grand chose, et l’équipe a montré qu’on retrouvait bien sa présence.

Pour parfaire le tout, les mesures ont été répétées avec un autre ensemble de téléscopes, l’Atacama Large Millimetre Array (ALMA). Le signal a été traité de façon indépendante, par des chercheurs et des méthodes différentes, et le résultat est resté le même : absorption à 1.123mm. Cela semble exclure la possibilité d’un faux positif. Mais est-ce bien de la phosphine ?

Une étape supplémentaire a été de vérifier que parmi toutes les espèces chimiques connues, aucune n’avait une énergie de transition pouvant correspondre à cette bande. Et rien n’a été trouvé.

Petite parenthèse : je ne sais pas trop comment se déroule ce travail de vérification, mais j’imagine que la tâche doit être dantesque. A titre d’ordre de grandeur, si on regarde juste la phosphine, on connait 7,5 millions de niveaux d’énergie, et 16,8 milliards de transitions entre ces niveaux ! Ce travail de modélisation [3] a notamment été réalisé quelques années plus tôt par Clara Sousa-Silva , une des autrices de l’article.

Bref, si on exclut la possibilité d’un faux positif, et le fait de l’attribuer à un autre composé, alors on doit admettre qu’il y a bien de la phosphine sur Vénus.

Quantité et localisation

D’après les mesures réalisées, l’abondance de la phosphine serait au minimum de 0.02 ppm. Bien moins que sur Jupiter ou Saturne, mais bien plus que sur Terre. Autre élément remarquable, le téléscope ALMA permet une résolution angulaire du signal; il a donc permis de constater que la phosphine était présente essentiellement à l’équateur et aux latitudes intermédiaires (entre -60° et 60°), mais pas aux pôles.

Quant à la localisation en altitude, la phosphine serait présente dans la couche nuageuse, à environ 50-60km de la surface. Petite remarque importante : on entend souvent que la vie sur Vénus serait bien compliquée à cause de sa température de surface (supérieure à 450°C) et de la pression qui y règne (93 bars). Mais à 50km d’altitude dans la couche nuageuse, la température est d’environ 30°C et la pression de 0.5 bars. Des conditions « presque » analogues à celles de la Terre. Presque vivable, enfin si l’on excepte le caractère hyper-acide de l’atmosphère, et la grosse présence de soufre !

D’où vient la phosphine ?

Je l’ai dit au début, ce qui fait l’intérêt de la phosphine c’est qu’on la considère comme une biosignature. Cette idée se base sur le fait qu’on ne voit pas bien ce qui pourrait expliquer sa présence, à part la présence de vie. Mais avant de sauter sur cette conclusion, on a intérêt à être sacrément certains de notre raisonnement. Les auteurices de l’article ont donc essayé d’éliminer toutes les possibilités d’une explication « non-biologique » de la présence de phosphine.

On l’a dit, la phosphine n’est pas un composé que l’on s’attend à trouver à l’équilibre thermodynamique. A partir de la durée de vie estimée de la phosphine avant son oxydation, et de l’abondance mesurée, l’équipe a calculé le taux de production de phosphine qui serait nécessaire pour expliquer son abondance sur Vénus. Et ce taux de production est bien plus élevé que ce que des réactions non-biologiques pourraient expliquer (ci-dessous un exemple de chemin de réaction considéré pour produire la phosphine !)

Les auteurices ont fait tout un travail de recherche dans les bases de données et de modélisation de réactions, pour voir si certains chemins de réaction pouvaient donner suffisamment de phosphine, et ce pour tout un éventail de conditions de température et de pression (allant de 0°C à 1200°C, et de 0.25 à 10 000 bars). Ils ont également examiné des hypothèses alternatives : que la phosphine provienne de météorites, ou bien soit produite par une activité volcanique ou encore une abondance d’éclairs. Mais à chaque fois ça coince : ces explications alternatives ont des taux de production de phosphine qui sont trop faible d’un facteur 10 000 à 1 million.

Alors, la vie ?

Une fois qu’on a éliminé toutes les explications connues possibles, il faut commencer à envisager des explications par des mécanismes alternatifs. Cela peut être soit des processus photochimiques ou géochimiques encore inconnus, soit de la vie. Les auteurs regroupent ces deux possibilités sous le terme «unexplained chemistry».

Le fait que la présence de phosphine soit uniquement détectée sur l’équateur et les latitudes intermédiaires peut aller dans ce sens. Cela correspond aux cellules de circulation de Hadley, qui peuvent, d’après l’équipe, être ce qu’il y a de plus stable pour accueillir la vie sur Vénus.

En conclusion, voici les possibilités, par ordre croissant d’excitation.

  • C’est un artefact de détection : il n’y a en fait pas d’absorption à cette longueur d’onde. Ça peut arriver, cela s’est déjà vu (souvenez-vous de l’inflation et BICEP2);
  • Il y a une absorption, mais due à un autre composé qui n’est pas la phosphine;
  • Il y a bien de la phosphine, mais produite par un processus non-biologique qu’on n’a pas (encore) découvert;
  • Il y a une forme de vie.

Pour confirmer tout cela, il faudra faire de nouvelles observations sur Vénus, ce qui ne sera pas possible avant plusieurs mois. Une solution pourrait être de regarder d’autres bandes d’absorption de la phosphine pour confirmer tout ça. Et ensuite…retourner sur place ! Avec Mars qui lui vole la vedette, la dernière sonde a s’être effectivement posée sur Vénus l’a fait en 1985 ! Nul doute que ce résultat motivera la mise en place de nouveaux programmes.

Edit du 19/11 : A ce jour il semblerait qu’on soit plutôt dans un des deux premiers scénarios évoqués : artefact de détection et/ou autre composé. Plus d’info sur les articles en cours de publication dans ce fil d’Hervé Cottin : https://twitter.com/hcottin/status/1329346900806524933

[1] Greaves, J.S., Richards, A.M.S., Bains, W. et al. Phosphine gas in the cloud decks of Venus. Nat Astron (2020). https://doi.org/10.1038/s41550-020-1174-4

[2] Pasek, M. A., Sampson, J. M., & Atlas, Z. (2014). Redox chemistry in the phosphorus biogeochemical cycle. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111(43), 15468-15473.

[3] Sousa-Silva, C., Al-Refaie, A. F., Tennyson, J., & Yurchenko, S. N. (2015). ExoMol line lists–VII. The rotation–vibration spectrum of phosphine up to 1500 K. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 446(3), 2337-2347.