James Webb dévoile les secrets des disques protoplanétaires riches en carbone

Télescope spatial James Webb découvre une grande variété de gaz riches en carbone qui serviront d’ingrédients aux futures planètes autour d’une étoile de très faible masse.

Les recherches MINDS utilisant l'instrument MIRI de JWST ont découvert des environnements chimiques riches en carbone et pauvres en oxygène dans les disques autour d'étoiles de très faible masse, indiquant que ces disques pourraient soutenir la formation de planètes telluriques très différentes de la Terre.

ESPRITS et formation des planètes

Les planètes se forment dans des disques de gaz et de poussière en orbite autour de jeunes étoiles. L'établissement d'un échantillon de disque représentatif est l'un des objectifs de l'enquête MIRI Mid-INfrared Disk (MINDS), dirigée par Thomas Henning de l'Institut Max Planck d'astronomie (MPIA) à Heidelberg, en Allemagne.

En explorant leurs propriétés chimiques et physiques avec MIRI (Mid-Infrared Instrument) à bord du télescope spatial James Webb (JWST), la collaboration relie ces disques aux propriétés des planètes susceptibles de s'y former. Dans une nouvelle étude, une équipe de chercheurs a exploré le voisinage d'une étoile de très faible masse de 0,11 masse solaire (connue sous le nom d'ISO-ChaI 147), dont les résultats paraissent dans la revue Science.

JWST et l'exploration des disques formant des planètes

« Ces observations ne sont pas possibles depuis la Terre car les émissions de gaz concernées sont absorbées par son atmosphère », a expliqué l'auteur principal Aditya Arabhavi de l'Université de Groningen aux Pays-Bas. « Auparavant, nous ne pouvions identifier que les émissions d'acétylène (C2H2) de cet objet. Cependant, la sensibilité plus élevée du JWST et la résolution spectrale de ses instruments nous ont permis de détecter de faibles émissions provenant de molécules moins abondantes.

La collaboration MINDS a découvert du gaz à des températures d'environ 300 Kelvin (environ 30 degrés Celsius), fortement enrichi en molécules carbonées mais manquant d'oxygène espèces. « Cela est profondément différent de la composition que nous observons dans les disques autour des étoiles de type solaire, où dominent les molécules contenant de l'oxygène telles que l'eau et le dioxyde de carbone », a ajouté Inga Kamp, membre de l'équipe de l'Université de Groningue.

Un exemple frappant de disque riche en oxygène est celui de PDS 70, où le programme MINDS a récemment découvert de grandes quantités de vapeur d'eau. À la lumière d’observations antérieures, les astronomes en déduisent que les disques autour d’étoiles de très faible masse évoluent différemment de ceux autour d’étoiles plus massives telles que le Soleil, ce qui pourrait avoir des conséquences sur la découverte de planètes rocheuses présentant des caractéristiques semblables à celles de la Terre. Étant donné que les environnements de ces disques déterminent les conditions dans lesquelles de nouvelles planètes se forment, chacune de ces planètes peut être rocheuse mais très différente de la Terre sous d’autres aspects.

Implications pour les planètes terrestres

La quantité de matière et sa répartition sur ces disques limitent le nombre et la taille des planètes que le disque peut fournir avec la matière nécessaire. Par conséquent, les observations indiquent que les planètes rocheuses de taille similaire à la Terre se forment plus efficacement que Jupiter-comme des géantes gazeuses dans les disques autour des étoiles de très faible masse, les étoiles les plus courantes dans l'Univers. En conséquence, les étoiles de très faible masse abritent de loin la majorité des planètes telluriques.

« De nombreuses atmosphères primaires de ces planètes seront probablement dominées par des composés d'hydrocarbures et moins par des gaz riches en oxygène comme l'eau et le dioxyde de carbone », a souligné Thomas Henning. « Nous avons montré dans une étude antérieure que le transport de gaz riche en carbone vers la zone où se forment habituellement les planètes telluriques se produit plus rapidement et est plus efficace dans ces disques que dans ceux des étoiles plus massives. »

Bien qu’il semble clair que les disques autour des étoiles de très faible masse contiennent plus de carbone que d’oxygène, le mécanisme de ce déséquilibre reste encore inconnu. La composition du disque est le résultat soit d’un enrichissement en carbone, soit d’une réduction de l’oxygène. Si le carbone est enrichi, la cause est probablement due à des particules solides présentes dans le disque, dont le carbone est vaporisé et libéré dans le composant gazeux du disque. Les grains de poussière, dépouillés de leur carbone d’origine, finissent par former des corps planétaires rocheux. Ces planètes seraient pauvres en carbone, tout comme la Terre. Pourtant, la chimie à base de carbone dominerait probablement au moins leurs atmosphères primaires fournies par le gaz du disque. Par conséquent, les étoiles de très faible masse pourraient ne pas offrir les meilleurs environnements pour trouver des planètes semblables à la Terre.

Diversité chimique dans les disques protoplanétaires

Pour identifier les gaz du disque, l'équipe a utilisé le spectrographe de MIRI pour décomposer le rayonnement infrarouge reçu du disque en signatures de petites plages de longueurs d'onde – semblables à la lumière du soleil divisée en arc-en-ciel. L’équipe a ainsi isolé une multitude de signatures individuelles attribuées à diverses molécules.

En conséquence, le disque observé contient la chimie des hydrocarbures la plus riche observée à ce jour dans un disque protoplanétaire, composé de 13 molécules carbonées jusqu'au benzène (C6H6). Ils incluent la première détection d’éthane extrasolaire (C2H6), le plus gros hydrocarbure entièrement saturé détecté en dehors du système solaire. L’équipe a également réussi à détecter l’éthylène (C2H4), le propyne (C3H4) et le radical méthyle CH3 pour la première fois dans un disque protoplanétaire. En revanche, les données ne contenaient aucune trace d’eau ou de monoxyde de carbone dans le disque.

Orientations futures de la recherche sur la chimie des disques

Ensuite, l’équipe scientifique a l’intention d’étendre son étude à un échantillon plus large de ces disques autour d’étoiles de très faible masse afin de mieux comprendre à quel point ces régions exotiques de formation de planètes terrestres riches en carbone sont courantes. « L'élargissement de notre étude nous permettra également de mieux comprendre comment ces molécules peuvent se former », a expliqué Thomas Henning. « Plusieurs caractéristiques des données restent également non identifiées, ce qui justifie une spectroscopie supplémentaire pour interpréter pleinement nos observations. »

Les scientifiques du MPIA impliqués dans cette étude sont Thomas Henning, Matthias Samland, Giulia Perotti, Jeroen Bouwman, Silvia Scheithauer, Riccardo Franceschi, Jürgen Schreiber et Kamber Schwartz.

Parmi les autres chercheurs figurent Aditya Arabhavi (Université de Groningen, Pays-Bas (Groningen)), Inga Kamp (Groningen), Ewine van Dishoeck (Université de Leiden, Pays-Bas et Institut Max Planck de physique extraterrestre, Garching, Allemagne), Valentin Christiaens (Université de Liège, Belgique) et Agnès Perrin (Laboratoire de Météorologie Dynamique/IPSL CNRS, Palaiseau, France).

Le consortium MIRI comprend les États membres de l'ESA, la Belgique, le Danemark, la France, l'Allemagne, l'Irlande, les Pays-Bas, l'Espagne, la Suède, la Suisse et le Royaume-Uni. Les organisations scientifiques nationales financent les travaux du consortium – en Allemagne, la Société Max Planck (MPG) et le Centre aérospatial allemand (DLR). Les institutions allemandes participantes sont l'Institut d'astronomie Max Planck de Heidelberg, l'Université de Cologne et Hensoldt AG à Oberkochen, anciennement Carl Zeiss Optronics.

JWST est le premier observatoire mondial des sciences spatiales. Il s'agit d'un programme international dirigé par NASA conjointement avec ses partenaires, l'ESA (Agence spatiale européenne) et CSA (Agence spatiale canadienne).