Chapitre 12 sur 15
Molécules et vie
Chaque gaz absorbe à ses propres longueurs d'onde. La forme d'une molécule détermine sa façon de vibrer, et ses vibrations déterminent où elle absorbe dans l'infrarouge. Aucun gaz à lui seul ne prouve la vie ; une biosignature nécessite un contexte.
Illustration
Une molécule à N atomes a 3N − 6 façons de vibrer (3N − 5 si elle est linéaire) : l'eau en a trois, le dioxyde de carbone quatre (sa flexion apparaît deux fois, à angle droit), le méthane neuf. Un mode n'absorbe la lumière infrarouge que s'il modifie le dipôle de la molécule. C'est pourquoi l'élongation symétrique du CO₂ (7,50 µm), l'élongation de l'O₂ et deux des quatre fondamentales du méthane sont silencieuses dans l'infrarouge. Les bandes produites par ces modes sont celles que signale le chapitre Lire les atmosphères : les deux élongations de l'eau à 2,66 et 2,73 µm forment sa bande à 2,7 µm, le ν₃ du méthane la bande à 3,3 µm, l'élongation asymétrique du CO₂ la bande à 4,26 µm, et l'élongation du CO la bande à 4,67 µm.
Positions des bandes : les fréquences fondamentales NIST CCCBDB de l’atlas, λ = 10⁴/ν̃. Les déplacements sont des esquisses respectant la symétrie, avec le centre de masse fixe et sans rotation nette, et non un calcul de champ de force. Dans chaque mode, l’atome qui se déplace le plus oscille de 0,2 Å, et la scène indique dans quelle mesure cela exagère son mouvement de point zéro, le déplacement quadratique moyen tiré de ħ/2ω à la fréquence du mode : pour les hydrogènes de l’eau en ν₁, il vaut 0,047 Å, ils sont donc dessinés ×4. Le temps est ralenti de 10¹³ à 10¹⁴ fois, et la scène donne le facteur pour chaque mode.
H₂O Eau
- Géométrie
- coudée, liaison 0,958 Å, angle 104,48° (CCCBDB)
- Bandes (µm)
- 1,4, 1,9, 2,7 (fondamentales 2,66 et 2,73), 6,27
- Vibrations
- ν₁ symmetric stretch · 2.73 µm · infrared-active · drawn ×4 · the 2.7 µm band in Reading atmospheres ›
- Déformation ν₂ · 6,27 µm · actif en infrarouge · tracé ×3 · au-delà de la fenêtre 0,5–5,1 µm de « Lire les atmosphères »
- ν₃ asymmetric stretch · 2.66 µm · infrared-active · drawn ×4 · the 2.7 µm band in Reading atmospheres ›
- Vu par
- HST/WFC3 vers 1,4 µm ; JWST NIRISS, NIRSpec, MIRI
- Détections d'exoplanètes
- HD 209458 b et XO-1 b avec WFC3 (Deming et al. 2013)
- WASP-39 b avec JWST (JWST ERS Team 2023)
- Pourquoi c'est important
- La molécule la plus courante dans les atmosphères des planètes chaudes ; elle détermine la forme de la plupart des spectres.
- Sans vie ?
- Produit partout par la chimie ordinaire et le dégazage. Pas une biosignature.
CO₂ Dioxyde de carbone
- Géométrie
- linéaire, liaison 1,162 Å (CCCBDB)
- Bandes (µm)
- 4,26 (très forte), 15,0 ; l’élongation symétrique à 7,50 µm est inactive en IR
- Vibrations
- ν₁ élongation symétrique · 7,50 µm · inactive en infrarouge (le dipôle ne change pas) · dessinée ×10 · au-delà de la fenêtre 0,5–5,1 µm de Lire les atmosphères
- Déformation ν₂ (deux, à angle droit) · 15,00 µm · actif en infrarouge · tracé ×5 · au-delà de la fenêtre 0,5–5,1 µm de « Lire les atmosphères »
- ν₃ asymmetric stretch · 4.26 µm · infrared-active · drawn ×10 · the 4.26 µm band in Reading atmospheres ›
- Vu par
- JWST NIRSpec G395H/PRISM (4.3 µm), MIRI (15 µm)
- Détections d'exoplanètes
- WASP-39 b, 26σ at 4.3 µm (JWST ERS Team 2023)
- K2-18 b, 3σ (Madhusudhan et al. 2023)
- Pourquoi c'est important
- Trace la teneur en métaux et la chimie de la planète ; un gaz de contexte pour toute revendication de biosignature.
- Sans vie ?
- Le volcanisme et la thermochimie en produisent facilement.
CO Monoxyde de carbone
- Géométrie
- diatomique, liaison de 1,128 Å (CCCBDB)
- Bandes (µm)
- 4,67 fondamental
- Vibrations
- ν stretch · 4.67 µm · infrared-active · drawn ×10 · the 4.67 µm band in Reading atmospheres ›
- Vu par
- JWST NIRSpec ; spectrographes au sol à haute résolution vers 2,3 µm
- Détections d'exoplanètes
- HD 209458 b, avec son mouvement orbital (Snellen et al. 2010)
- Pourquoi c'est important
- Avec le CO₂ et l'H₂O, il fixe l'équilibre carbone-oxygène des atmosphères chaudes.
- Sans vie ?
- Photolyse du CO₂ et thermochimie chaude ; souvent interprété comme un signe contre la vie, pas en sa faveur.
CH₄ Méthane
- Géométrie
- tétraédrique, liaison 1,087 Å, angle 109,47° (CCCBDB)
- Bandes (µm)
- 1.65, 2.4, 3.3 (ν₃ 3.31), 7.66
- Vibrations
- ν₁ élongation symétrique · inactive en infrarouge (le dipôle ne change pas) · aucune longueur d’onde dans l’atlas
- ν₂ déformation (deux) · inactif en infrarouge (le dipôle ne change pas) · aucune longueur d’onde dans l’atlas
- ν₃ asymmetric stretch (three) · 3.31 µm · infrared-active · drawn ×6 · the 3.3 µm band in Reading atmospheres ›
- ν₄ flexion asymétrique (triple) · 7,66 µm · actif en infrarouge · dessiné ×4 · au-delà de la fenêtre 0,5–5,1 µm de Lire les atmosphères
- Vu par
- JWST NIRSpec, NIRISS, MIRI
- Détections d'exoplanètes
- WASP-80 b (Bell et al. 2023)
- K2-18 b, 5σ (Madhusudhan et al. 2023)
- Pourquoi c'est important
- Avec O₂, c’est la paire classique en déséquilibre qu’une biosphère pourrait entretenir.
- Sans vie ?
- Serpentinisation des roches ultramafiques (la principale source abiotique sur Terre aujourd'hui) et thermochimie dans les atmosphères froides riches en H₂.
O₂ Oxygène
- Géométrie
- diatomique, liaison de 1,208 Å (CCCBDB)
- Bandes (µm)
- 0,76 (bande A), 0,69, 0,63 ; paires O₂–O₂ à 1,06 et 1,27 ; la vibration fondamentale à 6,43 µm est inactive en IR
- Vibrations
- Élongation ν · 6,43 µm · inactif en infrarouge (le dipôle ne varie pas) · tracé ×11 · au-delà de la fenêtre 0,5–5,1 µm de « Lire les atmosphères »
- Vu par
- Lumière réfléchie (futur HWO) ; haute résolution au sol à 0,76 µm
- Détections d'exoplanètes
- Aucune chez les exoplanètes jusqu'à présent.
- Pourquoi c'est important
- Le gaz biosignature le plus marquant de la Terre, mais significatif seulement dans son contexte.
- Sans vie ?
- Photolyse du CO₂ autour de certaines étoiles, ou échappement massif d’hydrogène après une perte d’eau.
O₃ Ozone
- Géométrie
- coudée, liaison 1,278 Å, angle 116,8° (CCCBDB)
- Bandes (µm)
- 0,25 (UV), 0,5–0,7 (Chappuis), 9,65 (la plus forte en IR moyen) ; fondamentales 9,01, 9,60 et 14,2
- Vibrations
- ν₁ élongation symétrique · 9,01 µm · active en infrarouge · dessinée ×10 · au-delà de la fenêtre 0,5–5,1 µm de Lire les atmosphères
- Déformation ν₂ · 14,20 µm · actif en infrarouge · tracé ×9 · au-delà de la fenêtre 0,5–5,1 µm de « Lire les atmosphères »
- ν₃ élongation asymétrique · 9,60 µm · active en infrarouge · tracée ×8 · au-delà de la fenêtre 0,5–5,1 µm de Lire les atmosphères
- Vu par
- HWO en UV/visible ; missions en infrarouge moyen comme LIFE à 9,6 µm
- Détections d'exoplanètes
- Aucune chez les exoplanètes jusqu'à présent.
- Pourquoi c'est important
- Un traceur sensible de l'O₂, visible même lorsque l'O₂ lui-même est difficile à voir.
- Sans vie ?
- Photochimie à partir d’O₂ abiotique, favorisée autour de certaines naines M et F.
N₂O Protoxyde d’azote
- Géométrie
- linéaire, liaison 1,128 Å (CCCBDB)
- Bandes (µm)
- 3.7, 4.5, 7.8, 8.6, 17
- Vibrations
- Élongation N–N, principalement · 4,50 µm · active en infrarouge · dessinée ×12 · non dessinée dans Lire les atmosphères
- Élongation N–O, principalement · 7,78 µm · actif en infrarouge · tracé ×9 · au-delà de la fenêtre 0,5–5,1 µm de « Lire les atmosphères »
- déformation (deux, à angle droit) · 17,00 µm · actif en infrarouge · dessiné ×5 · au-delà de la fenêtre 0,5–5,1 µm de Reading atmospheres
- Vu par
- JWST MIRI; LIFE
- Détections d'exoplanètes
- Aucune chez les exoplanètes jusqu'à présent.
- Pourquoi c'est important
- Produit par la vie sur Terre, avec peu de sources abiotiques à ce niveau.
- Sans vie ?
- Éruptions, particules énergétiques et éclairs ; ils produisent bien plus de NOₓ que de N₂O, ce qui est diagnostique.
NH₃ Ammoniac
- Géométrie
- pyramidale, liaison 1,012 Å, angle 106,67° (CCCBDB)
- Bandes (µm)
- 2.90, 3.00, 6.15, 10.5
- Vibrations
- Élongation symétrique ν₁ · 3,00 µm · active en infrarouge · tracée ×5 · non tracée dans Lire les atmosphères
- ν₂ parapluie · 10,50 µm · actif en infrarouge · dessiné ×3 · au-delà de la fenêtre 0,5–5,1 µm de Reading atmospheres
- ν₃ élongation asymétrique (deux) · 2,90 µm · active en infrarouge · dessinée ×4 · non dessinée dans Lire les atmosphères
- ν₄ flexion asymétrique (deux) · 6,15 µm · actif en infrarouge · dessiné ×3 · au-delà de la fenêtre 0,5–5,1 µm de Lire les atmosphères
- Vu par
- JWST MIRI (10.5 µm), NIRSpec
- Détections d'exoplanètes
- Aucune chez les exoplanètes jusqu'à présent.
- Pourquoi c'est important
- Abondant dans les planètes géantes froides ; son appauvrissement a servi à déduire une chaleur interne.
- Sans vie ?
- Thermochimie en profondeur dans les atmosphères d’hydrogène ; rapidement détruit par les UV.
PH₃ Phosphine
- Géométrie
- pyramidale, liaison 1,421 Å, angle 93,3° (CCCBDB)
- Bandes (µm)
- 4,30, 8,94, 10,1 ; l’annonce concernant Vénus utilisait une raie millimétrique à 267 GHz
- Vibrations
- Élongation symétrique ν₁ · 4,30 µm · active en infrarouge · tracée ×4 · non tracée dans Lire les atmosphères
- ν₂ parapluie · 10,10 µm · actif en infrarouge · dessiné ×3 · au-delà de la fenêtre 0,5–5,1 µm de Reading atmospheres
- ν₃ élongation asymétrique (deux) · 4,30 µm · active en infrarouge · dessinée ×3 · non dessinée dans Lire les atmosphères
- ν₄ flexion asymétrique (deux) · 8,94 µm · actif en infrarouge · dessiné ×2 · au-delà de la fenêtre 0,5–5,1 µm de Lire les atmosphères
- Vu par
- JWST MIRI ; ALMA et JCMT pour Vénus
- Détections d'exoplanètes
- Aucune chez les exoplanètes jusqu'à présent.
- Pourquoi c'est important
- Proposé comme biosignature pour les planètes rocheuses, où il est difficile à produire sans la vie.
- Sans vie ?
- Chimie chaude et profonde dans les planètes géantes ; par ailleurs jugée difficile à produire de façon abiotique sur les mondes rocheux (Bains et al. 2021).
DMS Sulfure de diméthyle
- Géométrie
- dms, liaison 1,802 Å, angle 98,9° (CCCBDB)
- Bandes (µm)
- 3,3–3,4 (élongations C–H), 6–7, ≈10, ≈15
- Vu par
- JWST MIRI LRS ; NIRSpec (3,3 µm chevauche le méthane)
- Détections d'exoplanètes
- K2-18 b : provisoire et contesté (voir ci-dessous) (Madhusudhan et al. 2025)
- Pourquoi c'est important
- Sur Terre, il est produit presque uniquement par la vie marine.
- Sans vie ?
- Peu de sources abiotiques connues sur la Terre actuelle ; rapidement dissociée par la lumière stellaire.
SO₂ Dioxyde de soufre
- Géométrie
- coudée, liaison 1,432 Å, angle 119,5° (CCCBDB)
- Bandes (µm)
- ≈4,05 (bande de combinaison), 7,34, 8,69, 19,3
- Vibrations
- ν₁ élongation symétrique · 8,69 µm · active en infrarouge · dessinée ×10 · au-delà de la fenêtre 0,5–5,1 µm de Lire les atmosphères
- Déformation ν₂ · 19,30 µm · actif en infrarouge · tracé ×7 · au-delà de la fenêtre 0,5–5,1 µm de « Lire les atmosphères »
- ν₃ élongation asymétrique · 7,34 µm · active en infrarouge · tracée ×13 · au-delà de la fenêtre 0,5–5,1 µm de Lire les atmosphères
- Vu par
- JWST NIRSpec G395H/PRISM, MIRI LRS
- Détections d'exoplanètes
- WASP-39 b : SO₂ photochimique (Tsai et al. 2023)
- WASP-39 b dans l'infrarouge moyen (Powell et al. 2024)
- Pourquoi c'est important
- Le premier produit photochimique observé dans une atmosphère d’exoplanète : la lumière de l’étoile pilote la chimie.
- Sans vie ?
- Photochimie et volcanisme.
Na Sodium
- Géométrie
- un atome (CCCBDB)
- Bandes (µm)
- 0,589 (raies D, 589,0 et 589,6 nm)
- Vu par
- Transmission optique (HST, haute résolution au sol)
- Détections d'exoplanètes
- HD 209458 b : la première atmosphère d’exoplanète (Charbonneau et al. 2002)
- Pourquoi c'est important
- Prédit par Seager & Sasselov 2000, et première atmosphère jamais détectée.
- Sans vie ?
- Sodium atomique dans les atmosphères chaudes ; pas une biosignature.
K Potassium
- Géométrie
- un atome (CCCBDB)
- Bandes (µm)
- 0,767 (766,5 et 769,9 nm)
- Vu par
- Transmission optique
- Détections d'exoplanètes
- XO-2 b (Sing et al. 2011)
- Pourquoi c'est important
- Avec le sodium, une sonde des nuages et de la température des géantes chaudes.
- Sans vie ?
- Comme le sodium ; pas une biosignature.
Liste de contrôle des biosignatures
- Significativité de la détection. Combien de sigma, à partir de combien d'analyses indépendantes ?
- Contexte. L’étoile, la température de la planète et les autres gaz présents (Meadows et al. 2018).
- Déséquilibre. Des gaz qui réagiraient et disparaîtraient sans source, comme O₂ avec CH₄ (Krissansen-Totton et al. 2018).
- Sources abiotiques exclues. Toutes les voies non biologiques de production du gaz ont été vérifiées (Schwieterman et al. 2018 ; Catling et al. 2018).
Aucun gaz n'a satisfait à cette liste de critères sur aucune planète. La vie n'a été détectée nulle part ailleurs que sur Terre.
Phosphine sur Vénus : contestée
2020 : phosphine rapportée dans les nuages de Vénus à partir de JCMT et ALMA (Greaves et al. 2020). Des réanalyses n’ont trouvé aucune détection significative (Snellen et al. 2020 ; Villanueva et al. 2021), avec une réponse de l’équipe d’origine (Greaves et al. 2021). Toujours contesté.
DMS sur K2-18 b : provisoire, débattu
2023 : méthane et CO₂ dans une atmosphère riche en H₂, avec des « signes potentiels » de DMS (Madhusudhan et al. 2023). 2025 : une caractéristique MIRI à ~3σ compatible avec du DMS et/ou du DMDS (Madhusudhan et al. 2025). Des analyses indépendantes ont trouvé des preuves insuffisantes (Schmidt et al. 2025 ; Luque et al. 2025). Non établi.
Sources
- Géométries expérimentales et fréquences fondamentales du NIST CCCBDB
- Schwieterman et al. 2018, Astrobiology 18, 663 (biosignatures)
- Meadows et al. 2018, Astrobiology 18, 630 (O₂ en contexte)
- Catling et al. 2018, Astrobiology 18, 709 (cadre d’évaluation)
- Krissansen-Totton et al. 2018, Sci. Adv. 4, eaao5747