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La piste de l’ammoniac : découvrir les mystères cosmiques de mondes lointains avec Webb

Exoplanet Ammonia Trail

Des recherches récentes ont permis la détection d’isotopologues de l’ammoniac dans l’atmosphère d’une naine brune, marquant un progrès significatif en astronomie. Cette découverte, facilitée par le télescope spatial James Webb, offre de nouvelles perspectives sur la formation des géantes gazeuses et des exoplanètes, remettant en question les théories existantes et mettant en évidence des processus alternatifs comme l’effondrement gravitationnel.

La détection d’isotopologues de l’ammoniac dans une naine brune par le Télescope spatial James Webb offre des informations révolutionnaires sur la formation des géantes gazeuses et des exoplanètes, révélant des processus de formation alternatifs potentiels.

Ils révèlent l’origine du vin, l’âge des os et des fossiles et servent d’outils de diagnostic en médecine. Les isotopes et les isotopologues – des molécules qui diffèrent uniquement par la composition de leurs isotopes – jouent également un rôle de plus en plus important en astronomie. Par exemple, le rapport entre les isotopes du carbone 12 (12C) et du carbone 13 (13C) dans l’atmosphère d’un exoplanète permet aux scientifiques de déduire la distance à laquelle l’exoplanète orbite autour de son étoile centrale.

Avancées dans la détection des isotopologues

Jusqu’à présent, le 12C et le 13C liés au monoxyde de carbone étaient les seuls isotopologues mesurables dans l’atmosphère d’une exoplanète. Aujourd’hui, une équipe de chercheurs a réussi à détecter des isotopologues de l’ammoniac dans l’atmosphère d’une naine brune froide. Comme l’équipe vient de le rapporter dans le journal Nature, l’ammoniac pourrait être mesuré sous forme de 14NH3 et 15NH3. Les astrophysiciens Polychronis Patapis et Adrian Glauser, membres du Département de physique ainsi que du Pôle national de recherche (PRN) PlanetS, ont participé à l’étude – Patapis étant l’un des premiers auteurs.

Naine brune WISE J1828

Impression artistique de la naine brune WISE J1828, l’une des géantes gazeuses les plus froides connues en dehors de notre système solaire. Son atmosphère est dominée par l’absorption de vapeur d’eau, de méthane et d’ammoniac. Crédit: ETH Zurich / Polychronis Patapis

Explorer les naines brunes

Les naines brunes se situent quelque part entre les étoiles et les planètes : elles ressemblent à de nombreux égards à des planètes gazeuses géantes, c’est pourquoi elles peuvent être utilisées comme système modèle pour étudier les géantes gazeuses. Dans leurs travaux, Patapis et ses collègues ont observé une naine brune, appelée WISE J1828, située à 32,5 années-lumière de la Terre ; dans le ciel nocturne, elle se situe dans la constellation de la Lyre, la lyre.

WISE J1828 n’est pas visible à l’œil nu : avec une température effective (c’est-à-dire la température d’un corps noir qui émettrait la même quantité d’énergie que l’objet observé) de seulement 100°C, il fait bien trop froid pour la fusion de l’hydrogène. avoir lieu et envoyer de la lumière jusqu’à la Terre. Pour repérer cette étoile naine ultra-froide de la classe spectrale Y, les miroirs du télescope spatial James Webb (JWST) ont été tournés en direction de la lyre l’été dernier.

Le télescope spatial James Webb voit plus loin

Illustration du télescope spatial James Webb. Crédit : Northrop Grumman

Le rôle du JWST

Le Mid-InfraRed Instrument (MIRI), un détecteur infrarouge installé à bord du JWST, a permis de révéler les isotopologues de l’ammoniac sur WISE J1828. Dans la gamme de longueurs d’onde comprises entre 4,9 et 27,9 μm, le spectromètre à moyenne résolution (MRS) du MIRI a enregistré un spectre de la naine brune où, outre l’ammoniac, les chercheurs ont observé des molécules d’eau et de méthane, chacune avec des bandes d’absorption caractéristiques. En particulier, l’ammoniac provoque une atténuation du signal arrivant au détecteur dans la gamme de longueurs d’onde comprise entre 9 et 13 µm.

Les isotopologues de l’ammoniac peuvent également être résolus par spectroscopie : si les molécules d’ammoniac ne sont pas constituées de l’isotope d’azote le plus courant 14N, qui est lié à trois atomes d’hydrogène, mais de 15N plus trois atomes d’hydrogène, le neutron supplémentaire dans le noyau d’azote garantit que il y a une distorsion dans le spectre qui peut s’expliquer par la présence de 15NH3.

De nouveaux outils pour étudier les exoplanètes

Le rapport des deux isotopologues de l’ammoniac mesuré dans l’atmosphère de WISE J1828 est particulièrement intéressant : comme l’expliquent Patapis et ses collègues, le rapport 14NH3/15NH3 est un traceur, c’est-à-dire un indicateur qui pourra être utilisé à l’avenir pour étudier formation des étoiles et des planètes. Il s’agit d’un nouvel outil qui permettra de tester différents mécanismes de formation connus des géantes gazeuses.

Les géantes gazeuses telles que Jupiter ou Saturne ne sont pas spécifiques à notre système solaire. Ces corps jouent un rôle important dans l’étude des exoplanètes : ils apparaissent tôt lors de la formation des étoiles et constituent donc un facteur crucial pour déterminer si et comment des planètes plus petites et plus légères se développeront. Jusqu’à présent, il n’y a pas de réponse définitive à la question de savoir comment se forment les géantes gazeuses. Les experts ont développé différentes théories, mais il n’est pas clair si ces planètes se sont formées par accrétion nucléaire – comme la plupart des autres planètes – ou à la suite d’un effondrement gravitationnel du disque protoplanétaire autour de l’étoile progénitrice.

Aperçu de la formation des planètes

Le rapport isotopologue enregistré par Patapis et ses collègues peut fournir de nouveaux indices. Sur Terre, il y a 272 atomes de 14N pour 15N atome. L’article rapporte que le rapport 14NH3/15NH3 mesuré dans l’atmosphère de WISE J1828 est de 670, ce qui signifie que la naine brune a accumulé moins d’azote 15 au cours de sa formation que celle de la Terre et d’autres planètes comme Jupiter. . En fait, l’abondance de 15N est plus rare sur WISE J1828 que sur tous les corps célestes de notre système solaire.

Les processus de fractionnement isotopique, c’est-à-dire le changement dans l’abondance des isotopes, ne sont pas entièrement compris, mais on pense que les impacts des comètes contribuent à un enrichissement en azote 15, car les comètes ont une teneur en 15N nettement plus élevée. On pense également que les impacts des comètes constituent un élément fondamental de la construction planétaire du système solaire : les comètes ont contribué à la formation de l’atmosphère terrestre, même si l’on ne sait pas exactement dans quelle mesure.

Une faible teneur en 15NH3 dans le spectre de WISE J1828 suggère que la naine brune n’a pas suivi la voie habituelle de formation des planètes – à savoir l’accrétion nucléaire – mais s’est formée à la place d’une étoile, un scénario qui pointe vers un effondrement gravitationnel. Ce type d’instabilité gravitationnelle est donc susceptible de jouer un rôle important dans la formation des géantes gazeuses, notamment celles qui se déplacent autour de leur étoile sur de grandes orbites.

En effet, c’est un autre point important abordé dans l’article : le rapport 14NH3/15NH3 semble varier considérablement en fonction de la distance entre une géante gazeuse et son étoile, comme le montrent les simulations d’une planète en formation entre l’ammoniac et la glace d’azote moléculaire. lignes. En astronomie, les lignes de glace indiquent les distances minimales de l’étoile centrale auxquelles la température est suffisamment basse pour qu’un composé chimique volatil particulier se transforme en une forme solide.

Selon Patapis et ses collègues, l’observation d’un rapport accru de 14NH3 à 15NH3 pourrait indiquer une accumulation planétaire de glace entre les lignes de glace d’ammoniac et d’azote.

Implications et recherches futures

Les astronomes viennent de se doter d’un outil supplémentaire pour étudier les exoplanètes directement observables. La trace d’ammoniac n’est devenue tangible que grâce au JWST, confirmant une fois de plus l’énorme valeur et les performances inégalées de ce télescope spatial.

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