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La fenêtre de Webb sur la naissance cosmique : la dérive des galets de glace suscite la vie planétaire

Protoplanetary Disk Art

Le télescope spatial James Webb de la NASA a fourni des preuves étayant la théorie selon laquelle des cailloux glacés dérivent vers l’intérieur des parties les plus froides des disques protoplanétaires pour former des planètes, un processus maintenant confirmé par l’observation des transitions de vapeur d’eau.

Des cailloux dérivants fournissent de l’eau aux régions intérieures des disques formant des planètes

Comment naissent les planètes ? Les scientifiques proposent depuis longtemps que les cailloux recouverts de glace soient les graines de la formation des planètes. On pense que ces solides glacés dérivent vers l’étoile nouveau-née depuis les confins froids et extérieurs du disque qui l’entoure. La théorie prédit que, lorsque ces cailloux entreraient dans la région la plus chaude, plus proche de l’étoile, ils libéreraient des quantités importantes de vapeur d’eau froide, apportant à la fois de l’eau et des solides aux planètes naissantes.

Maintenant le Télescope spatial James Webb a été témoin de ce processus en action, révélant le lien entre la vapeur d’eau dans le disque interne et la dérive des cailloux glacés du disque externe. Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives passionnantes dans l’étude de la formation des planètes rocheuses.

Deux disques protoplanétaires

Le concept de cet artiste compare deux types de disques typiques formant des planètes autour d’étoiles nouveau-nées semblables au Soleil. À gauche se trouve un disque compact et à droite un disque étendu avec des espaces. Les scientifiques utilisant Webb ont récemment étudié quatre disques protoplanétaires – deux compacts et deux étendus. Les chercheurs ont conçu leurs observations pour tester si les disques compacts formant des planètes contiennent plus d’eau dans leurs régions internes que les disques étendus formant des planètes avec des espaces. Cela se produirait si les cailloux recouverts de glace dans les disques compacts dérivaient plus efficacement vers les régions proches de l’étoile et délivraient de grandes quantités de solides et d’eau aux planètes intérieures rocheuses en formation.
Crédit : NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Les découvertes du télescope spatial Webb de la NASA soutiennent le processus de formation des planètes proposé depuis longtemps

Les scientifiques utilisent NASALe télescope spatial James Webb de vient de faire une découverte révolutionnaire en révélant comment les planètes sont fabriquées. En observant la vapeur d’eau dans les disques protoplanétaires, Webb a confirmé un processus physique impliquant la dérive de solides recouverts de glace des régions extérieures du disque vers la zone des planètes rocheuses.

Les théories proposent depuis longtemps que les cailloux glacés se formant dans les régions froides et extérieures des disques protoplanétaires – la même zone où les comètes proviennent de notre système solaire – devraient être les germes fondamentaux de la formation des planètes. La principale exigence de ces théories est que les cailloux dérivent vers l’étoile en raison de la friction dans le disque gazeux, délivrant à la fois des solides et de l’eau aux planètes.

Confirmation des prédictions théoriques

Une prédiction fondamentale de cette théorie est que lorsque les cailloux glacés pénètrent dans la région la plus chaude de la « limite des neiges » – là où la glace se transforme en vapeur – ils devraient libérer de grandes quantités de vapeur d’eau froide. C’est exactement ce qu’a observé Webb.

« Webb a finalement révélé le lien entre la vapeur d’eau dans le disque interne et la dérive de cailloux glacés depuis le disque externe », a déclaré l’investigateur principal Andrea Banzatti de l’Université d’État du Texas, à San Marcos, au Texas. « Cette découverte ouvre des perspectives passionnantes pour l’étude de la formation des planètes rocheuses avec Webb ! »

Abondance en eau (spectre d'émission Webb MIRI)

Ce graphique compare les données spectrales de l’eau chaude et froide dans le disque GK Tau, qui est un disque compact sans anneaux, et le disque CI Tau étendu, qui possède au moins trois anneaux sur des orbites différentes. L’équipe scientifique a utilisé le pouvoir de résolution sans précédent du MRS (spectromètre à moyenne résolution) de MIRI pour séparer les spectres en lignes individuelles qui sondent l’eau à différentes températures. Ces spectres, visibles dans le graphique du haut, révèlent clairement un excès d’eau froide dans le disque compact GK Tau, par rapport au grand disque CI Tau.
Le graphique du bas montre les données d’eau froide en excès dans le disque compact GK Tau moins les données d’eau froide dans le disque CI Tau étendu. Les données réelles, en violet, sont superposées sur un spectre modèle d’eau froide. Notez à quel point ils s’alignent.
Crédits : NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Andrea Banzatti (Texas State University)

« Dans le passé, nous avions cette image très statique de la formation des planètes, presque comme s’il existait des zones isolées à partir desquelles les planètes se formaient », a expliqué Colette Salyk, membre de l’équipe du Vassar College de Poughkeepsie, New York. « Nous avons désormais la preuve que ces zones peuvent interagir les unes avec les autres. C’est aussi quelque chose qui se serait produit dans notre système solaire.

Exploiter la puissance de Webb

Les chercheurs ont utilisé le MIRI (l’instrument infrarouge moyen) de Webb pour étudier quatre disques – deux compacts et deux étendus – autour d’étoiles semblables au Soleil. On estime que ces quatre étoiles ont entre 2 et 3 millions d’années, ce qui ne serait que des nouveau-nés dans le temps cosmique.

Les deux disques compacts devraient subir une dérive efficace des cailloux, délivrant des cailloux à une distance équivalente à Neptunel’orbite. En revanche, les disques étendus devraient voir leurs cailloux retenus dans plusieurs anneaux jusqu’à six fois l’orbite de Neptune.

Infographie sur la dérive de galets

Ce graphique est une interprétation des données du MIRI de Webb, l’instrument infrarouge moyen, qui est sensible à la vapeur d’eau présente dans les disques. Il montre la différence entre la dérive des galets et la teneur en eau d’un disque compact par rapport à un disque étendu avec des anneaux et des espaces. Dans le disque compact de gauche, alors que les cailloux recouverts de glace dérivent vers la région la plus chaude et la plus proche de l’étoile, ils ne sont pas gênés. Lorsqu’elles franchissent la limite des neiges, leur glace se transforme en vapeur et fournit une grande quantité d’eau pour enrichir les planètes intérieures rocheuses en formation. À droite se trouve un disque étendu avec des anneaux et des espaces. Alors que les cailloux recouverts de glace commencent leur voyage vers l’intérieur, nombre d’entre eux se retrouvent arrêtés par les interstices et piégés dans les anneaux. Moins de cailloux glacés sont capables de traverser la ligne de neige pour acheminer l’eau vers la région interne du disque.
Crédit : NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Les observations de Webb ont été conçues pour déterminer si les disques compacts ont une abondance d’eau plus élevée dans leur région intérieure rocheuse, comme prévu si la dérive des galets est plus efficace et fournit beaucoup de masse solide et d’eau aux planètes intérieures. L’équipe a choisi d’utiliser le MRS (spectromètre à moyenne résolution) de MIRI car il est sensible à la vapeur d’eau présente dans les disques.

Les résultats ont confirmé les attentes en révélant un excès d’eau froide dans les disques compacts, par rapport aux grands disques.

Au fur et à mesure que les cailloux dérivent, chaque fois qu’ils rencontrent une bosse de pression – une augmentation de la pression – ils ont tendance à s’y accumuler. Ces pièges à pression n’arrêtent pas nécessairement la dérive des cailloux, mais ils l’entravent. C’est ce qui semble se produire dans les grands disques comportant des anneaux et des espaces.

Les recherches actuelles suggèrent que les grandes planètes pourraient provoquer des anneaux de pression accrue, dans lesquels les cailloux ont tendance à s’accumuler. Cela aurait également pu être un rôle de Jupiter dans notre système solaire – inhibant l’acheminement des cailloux et de l’eau vers nos petites planètes rocheuses intérieures et relativement pauvres en eau.

Résoudre les mystères avec les données de Webb

Lorsque les données sont arrivées pour la première fois, les résultats étaient déroutants pour l’équipe de recherche. « Pendant deux mois, nous sommes restés bloqués sur ces résultats préliminaires qui nous disaient que les disques compacts avaient de l’eau plus froide, et que les grands disques avaient globalement de l’eau plus chaude », se souvient Banzatti. « Cela n’avait aucun sens, car nous avions sélectionné un échantillon d’étoiles ayant des températures très similaires. »

Ce n’est que lorsque Banzatti a superposé les données des disques compacts sur celles des grands disques que la réponse est clairement apparue : les disques compacts contiennent de l’eau très froide juste à l’intérieur de la limite des neiges, environ dix fois plus près que l’orbite de Neptune.

« Maintenant, nous voyons enfin sans ambiguïté que c’est l’eau la plus froide qui présente un excès », a déclaré Banzatti. « C’est sans précédent et entièrement dû au pouvoir de résolution plus élevé de Webb! »

Les résultats de l’équipe paraissent dans l’édition du 8 novembre du Lettres de journaux astrophysiques.

Le télescope spatial James Webb est le premier observatoire scientifique spatial au monde. Webb résout les mystères de notre système solaire, regarde au-delà des mondes lointains autour d’autres étoiles et sonde les structures et origines mystérieuses de notre univers et la place que nous y occupons. Webb est un programme international mené par la NASA avec ses partenaires, l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’Agence spatiale canadienne.

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