vignette|Les planètes pouvant abriter la vie comme la Terre sont-elles rares ?|alt=Photographie de la Terre.
En astronomie planétaire et en astrobiologie, lhypothèse de la Terre rare soutient que l'émergence d'une vie multicellulaire complexe (metazoa) sur Terre a exigé une combinaison improbable d'événements et de circonstances astrophysiques et géologiques. L'expression « Terre rare » provient du livre Rare Earth: Why Complex Life Is Uncommon in the Universe (2000), étude coécrite par le géologue et paléontologue Peter Ward et par l'astronome et astrobiologiste Donald E. Brownlee. Cet ouvrage constitue la source de l'essentiel du présent article.
Ward et Brownlee soutiennent que les planètes, les systèmes planétaires et les régions galactiques qui sont favorables à une vie complexe, comme la Terre, le Système solaire et notre région de la Voie lactée, sont probablement très rares.
L'hypothèse de la Terre rare s'oppose au principe de médiocrité (ou principe copernicien), soutenu par Carl Sagan et Frank Drake, entre autresBrownlee et Ward, 2000, p. xxi-xxiii.. Le principe de médiocrité conclut que la Terre est une planète rocheuse typique, dans un système planétaire typique, localisé dans une région sans aucun caractère exceptionnel d'une galaxie spirale barrée courante. Il est donc probable que l'Univers fourmille de vie complexe.
L'hypothèse de la Terre rare, en concluant que la vie complexe n'est pas commune, est une solution possible du paradoxe de Fermi : « si les extraterrestres sont courants, pourquoi ne les voit-on pas ? » Webb, Stephen, If the universe is teeming with aliens, where is everybody? Fifty solutions to the Fermi paradox and the problem of extraterrestrial life, Copernicus Books, Springer Verlag, 2002..
Les zones galactiques habitables thumb|right|295px|Dans une zone manquant de métaux ou proche du centre de la galaxie et exposée à un rayonnement important, une planète n'est pas en mesure d'abriter la vie. La galaxie photographiée est , souvent identifiée comme la jumelle de la Voie lactée 1 Morphology of Our Galaxy's 'Twin' Spitzer Space Telescope, Jet Propulsion Laboratory, NASA (Morphologie de notre galaxie 'jumelle', Télescope spatial Spitzer/JPL-NASA).
Rare Earth suggère qu'une grande partie de l'univers connu, y compris de grandes parties de notre galaxie, ne peut pas abriter de vie complexe ; Ward et Brownlee désignent ces régions comme des « zones mortes ». Les parties de galaxies où la vie complexe est possible constituent la zone galactique habitable. Cette zone est d'abord fonction de la distance au centre galactique. Avec la distance croissante : La métallicité des étoiles décline, et les métaux (terme qui, en astronomie, signifie les éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium) sont nécessaires à la formation des planètes telluriques. Les radiations X et Gamma provenant des trous noirs du centre de la galaxie, et des étoiles à neutrons proches, perdent en intensité. Une radiation de cette nature est considérée comme dangereuse pour la vie complexe, en sorte que l'hypothèse de la Terre rare prédit que l'univers primitif, et également à présent, les régions de la galaxie où la densité stellaire est élevée et les supernovae communes sont inadaptées au développement de la vie complexe Brownlee, Donald. Ward, Peter D. Rare Earth, pages 27 - 29. Copernicus. 2000.. La probabilité de perturbations gravitationnelles aux planètes (et aux planétésimaux) par les étoiles proches diminue avec la densité décroissante des étoiles. En sorte que plus une planète se trouve éloignée par rapport au centre de la galaxie, moins il est probable qu'elle soit heurtée par un gros bolide. Un impact suffisamment important peut conduire à l'extinction de toute vie complexe sur une planète.
La proposition (1) ci-dessus régit les abords extérieurs d'une galaxie ; les propositions (2) et (3) régissent les régions intérieures de la galaxie, les amas globulaires et les bras spiraux des galaxies spirales. Ces bras ne sont pas des objets physiques, mais des régions d'une galaxie caractérisées par un taux de formation d'étoiles élevé, se déplaçant à la vitesse d'environ (pour le système solaire), ils décrivent un mouvement ondulatoire. Du centre d'une galaxie vers sa périphérie, la capacité à abriter la vie augmente puis retombe. En sorte que la zone galactique habitable peut affecter la forme d'un anneau, prise en sandwich entre son centre et sa périphérie, tous deux inhabitables.
Non seulement un système planétaire peut jouir d'une localisation favorable à l'apparition de la vie complexe, mais il doit aussi maintenir cette localisation pendant une durée suffisamment longue pour que la vie complexe évolue. Et donc, une étoile centrale avec une orbite galactique qui évolue à l'écart des régions galactiques à haut niveau de radiations telles que les centres galactiques et les bras spiraux paraît potentiellement constituer un support très favorable. Si l'orbite galactique de l'étoile centrale est excentrique, elliptique ou hyperbolique, elle traversera quelques bras spiraux, mais si l'orbite est un cercle quasi parfait, et que la vitesse orbitale égale la vitesse de « rotation » des bras spiraux, l'étoile finira par sombrer dans une région de bras spiral, d'abord graduellement, puis entièrement. Par conséquent, les tenants de la « Terre rare » en concluent qu'une étoile supportant la vie doit avoir une orbite galactique presque circulaire autour du centre de sa galaxie. La synchronisation requise entre la vitesse orbitale d'une étoile de la zone centrale et la vitesse de l'onde des bras spiraux ne peut se produire que dans des bandes plutôt étroites de distances au centre galactique. Ces régions sont dénommées la « zone galactique habitable ». Lineweaver . calculent que la zone galactique habitable est un anneau de 7 à de diamètre, qui ne comprend pas plus que 10 % des étoiles de la Voie lactée.. En se basant sur des estimations prudentes du nombre total d'étoiles contenues dans la Galaxie, ceci pourrait représenter de l'ordre de 20 à d'étoiles. Gonzalez Guillermo Gonzalez, Brownlee, Donald, et Ward, Peter, 2001 "The Galactic Habitable Zone: Galactic Chemical Evolution", Icarus 152: 185-200. diminueraient ce chiffre de moitié : ils estiment qu'au plus 5 % des étoiles de la Galaxie se trouvent dans la zone galactique habitable.
Effectivement, l'orbite du Soleil autour du centre de la Voie lactée est un cercle pratiquement parfait, avec une période de révolution de , correspondant étroitement à la période de rotation de la galaxie. Karen Masters a calculé que l'orbite du Soleil traverse un bras spiral majeur tous les d'années. Au contraire, l'hypothèse de la Terre rare prévoit que le Soleil, depuis sa formation, ne devrait avoir traversé aucun bras spiral How often does the Sun pass through a spiral arm in the Milky Way?, Karen Masters, Curious About Astronomy. Cependant, certains chercheurs ont suggéré que plusieurs extinctions en masse correspondent effectivement à de précédentes traversées de bras spiraux Dartnell, Lewis, Life in the Universe, One World, Oxford, 2007, p. 75..
Une étoile centrale avec le caractère adéquat L'exemple de la Terre suggère que la vie complexe exige la présence d'eau à l'état liquide et sa planète doit donc se situer à la distance appropriée de son étoile. C'est le cœur de la notion de zone habitable ou principe de Boucles d'orHart, M. "Habitable Zones Around Main Sequence Stars," Icarus, 37, 351 (1979). La zone habitable forme un anneau autour de l'étoile centrale. Si l'orbite d'une planète est trop rapprochée ou trop éloignée de son soleil, la température de sa surface est incompatible avec l'eau sous forme liquide (bien que de l'eau sous la surface, comme cela a été suggéré pour les satellites Europe et Encelade, ainsi que pour la planète naine Cérès puisse exister en différents endroits)Reynolds, R. T., McKay, C. P., et Kasting, J. F. "Europa, Tidally Heated Oceans, and Habitable Zones Around Giant Planets," Advances in Space Research, 7 (5), 125 (1987). Kasting et al. (1993) estiment que la zone habitable du Soleil s'étend entre 0,95 et 1,15 unité astronomique, Whitmire, D. P., et Reynolds, R. T., 1993, "Habitable zones around main sequence stars," Icarus 101: 108-28.
La zone habitable varie avec le type et l'âge de l'étoile centrale. La zone habitable d'une étoile de la série principale s'éloigne avec le temps jusqu'à ce que l'étoile devienne une naine blanche, moment où la zone habitable disparait. La zone habitable est étroitement liée à l'effet de serre permis par le dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique ou autres gaz à effet de serre, principalement la vapeur d'eau dans le cas de la Terre. L'effet collectif de ces gaz augmente la température moyenne sur Terre d'approximativement 33 °C par rapport à ce qu'elle serait autrementBrownlee, Donald. Ward, Peter D. Rare Earth, page 18. Copernicus. 2000.
On présume alors qu'une étoile doit avoir des planètes rocheuses à l'intérieur de sa zone habitable. Alors que la zone habitable des étoiles chaudes telles que Alpha Canis Majoris (Sirius) ou Alpha Lyrae (Vega) est large, il existe deux problèmes : Étant donné que l'on pensait (au moment de la rédaction de « Rare Earth ») que les planètes rocheuses se formaient plus près de leurs étoiles centrales, les planètes candidates se formeraient alors trop près de l'étoile pour se trouver dans la zone habitable. Ceci ne règle pas la vie sur une lune d'une géante gazeuse. Les étoiles chaudes émettent aussi beaucoup plus de radiation ultraviolettes qui vont ioniser n'importe quelle atmosphère planétaire. Les étoiles chaudes évoquées ci-dessus ont une courte durée de vie, devenant des géantes rouges en moins d'un milliard d'années. Cette durée ne suffit pas pour qu'une vie avancée évolue. Ces considérations écartent les étoiles des types F6 à O (voir type spectral comme foyer d'évolution d'une vie métazoaire évoluée.
D'autre part, de petites étoiles (naines rouges) disposent de zones habitables à petit rayon. Cette proximité fait qu'une des faces de la planète est constamment tournée vers l'étoile, et l'autre demeure en permanence dans l'obscurité, un phénomène de « verrouillage » dû aux effets des forces de marée. Ce « verrouillage de marée » d'un hémisphère d'une planète à son corps primaire fera que la face diurne de la planète est constamment chaude, alors que la face nocturne demeurera extrêmement froide, même assez froide pour que la majorité des gaz atmosphériques puissent y geler ! Les planètes à l'intérieur d'une zone habitable avec un petit rayon sont aussi soumises de façon accrues à des risques générés par les éruptions solaires (voir Aurelia), qui vont tendre à ioniser l'atmosphère et seront défavorables à la vie complexe de multiples façons. Les promoteurs de « Rare Earth » tiennent que ceci élimine la possibilité de vie dans de tels systèmes, alors que des exobiologistes ont suggéré que l'habitabilité peut exister dans les circonstances correctes. C'est un point central de blocage pour la théorie, puisque ces étoiles de type K tardif et M constituent à peu près 82 % de toutes les étoiles consumant de l'hydrogène The One Hundred Nearest Star Systems, Research Consortium on Nearby Stars.
Les promoteurs de « Rare Earth » font valoir que le type d'étoiles centrales qui sont « juste comme il faut » s'étage de F7 à K1. De telles étoiles ne sont pas courantes : les étoiles de type G comme le Soleil (entre les F plus chaudes et les K plus froides) ne comprennent que 9 % des étoiles consumant de l'hydrogène dans la Voie lactée.
thumb|Les amas globulaires n'abritent vraisemblablement pas la vie.