Le télescope spatial James Webb de la NASA a découvert une petite naine brune record, dont la masse n’est que trois à quatre fois supérieure à celle de Jupiter. Cette découverte remet en question la compréhension actuelle de la formation stellaire et a des implications pour l’étude des exoplanètes et la classification de ces corps célestes. (Concept de l’artiste.) Crédit : Issues.fr.com
La découverte aide à répondre à la question : jusqu’où peut-on aller en formant des étoiles ?
Les naines brunes sont parfois appelées étoiles ratées, car elles se forment comme des étoiles par effondrement gravitationnel, mais ne gagnent jamais suffisamment de masse pour déclencher la fusion nucléaire. Les plus petites naines brunes peuvent chevaucher en masse celles des planètes géantes. Dans leur quête pour trouver la plus petite naine brune, les astronomes utilisant le Télescope spatial James Webb ont trouvé le nouveau détenteur du record : un objet pesant seulement trois à quatre fois la masse de Jupiter.
Cette image prise par l’instrument NIRCam (Near-Infrared Camera) du télescope spatial James Webb de la NASA montre la partie centrale de l’amas d’étoiles IC 348. Les rideaux vaporeux qui remplissent l’image sont des matériaux interstellaires qui réfléchissent la lumière des étoiles de l’amas – ce qu’on appelle une nébuleuse par réflexion. Le matériau comprend également des molécules contenant du carbone appelées hydrocarbures aromatiques polycycliques ou HAP. Les vents provenant des étoiles les plus massives de l’amas pourraient aider à sculpter la grande boucle visible sur le côté droit du champ de vision. Crédits : NASA, ESA, CSA, STScI, Kevin Luhman (PSU), Catarina Alves de Oliveira (ESA)
Le télescope spatial Webb identifie la plus petite naine brune flottante
Les naines brunes sont des objets qui chevauchent la ligne de démarcation entre les étoiles et les planètes. Ils se forment comme des étoiles, devenant suffisamment denses pour s’effondrer sous leur propre gravité, mais ils ne deviennent jamais suffisamment denses et chauds pour commencer à fusionner l’hydrogène et se transformer en étoile. Au bas de l’échelle, certaines naines brunes sont comparables à des planètes géantes, pesant à peine quelques fois la masse de Jupiter.
Quelles sont les plus petites étoiles ?
Les astronomes tentent de déterminer le plus petit objet pouvant se former à la manière d’une étoile. Une équipe utilisant NASALe télescope spatial James Webb de a identifié le nouveau détenteur du record : une minuscule naine brune flottant librement avec seulement trois à quatre fois la masse de Jupiter.
« Une question fondamentale que vous trouverez dans tous les manuels d’astronomie est la suivante : quelles sont les plus petites étoiles ? C’est à cela que nous essayons de répondre », a expliqué l’auteur principal Kevin Luhman de la Pennsylvania State University.
Cette image prise par l’instrument NIRCam (Near-Infrared Camera) du télescope spatial James Webb de la NASA montre la partie centrale de l’amas d’étoiles IC 348. Les astronomes ont parcouru l’amas à la recherche de minuscules naines brunes flottant librement : des objets trop petits pour être des étoiles. mais plus grande que la plupart des planètes. Ils ont trouvé trois naines brunes qui font moins de huit fois la masse de Jupiter, qui sont encerclées dans l’image principale et montrées dans les extraits détaillés à droite. Le plus petit pèse seulement trois à quatre fois celui de Jupiter, ce qui remet en cause les théories sur la formation des étoiles.
Les rideaux vaporeux qui remplissent l’image sont constitués de matière interstellaire réfléchissant la lumière des étoiles de l’amas – ce qu’on appelle une nébuleuse par réflexion. Le matériau comprend également des molécules contenant du carbone appelées hydrocarbures aromatiques polycycliques ou HAP. L’étoile brillante la plus proche du centre du cadre est en fait une paire d’étoiles de type B dans un système binaire, qui sont les étoiles les plus massives de l’amas. Les vents provenant de ces étoiles peuvent aider à sculpter la grande boucle visible sur le côté droit du champ de vision.
Crédits : NASA, ESA, CSA, STScI, Kevin Luhman (PSU), Catarina Alves de Oliveira (ESA)
Stratégie de recherche
Pour localiser cette nouvelle naine brune, Luhman et sa collègue, Catarina Alves de Oliveira, ont choisi d’étudier l’amas d’étoiles IC 348, situé à environ 1 000 années-lumière de nous, dans la région de formation d’étoiles de Persée. Cet amas est jeune, âgé d’environ 5 millions d’années seulement. En conséquence, toutes les naines brunes seraient encore relativement brillantes en lumière infrarouge, rayonnantes à cause de la chaleur de leur formation.
L’équipe a d’abord photographié le centre de l’amas à l’aide de la NIRCam (caméra proche infrarouge) de Webb pour identifier les candidates naines brunes à partir de leur luminosité et de leurs couleurs. Ils ont suivi les cibles les plus prometteuses à l’aide du réseau de microobturateurs NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) de Webb.
La sensibilité infrarouge de Webb était cruciale, permettant à l’équipe de détecter des objets plus faibles que les télescopes au sol. De plus, la vision nette de Webb leur a permis de déterminer quels objets rouges étaient des naines brunes précises et lesquels étaient des galaxies à fond blobby.
Ce processus de vannage a conduit à trois cibles intrigantes pesant trois à huit masses de Jupiter, avec des températures de surface allant de 1 500 à 2 800 degrés. Fahrenheit (830 à 1 500 degrés Celsius). Le plus petit d’entre eux ne pèse que trois à quatre fois Jupiter, selon les modèles informatiques.
Cette image de l’amas d’étoiles IC 348, capturée par la caméra infrarouge proche (NIRCam) de Webb, montre les flèches de la boussole, la barre d’échelle et la clé de couleur à titre de référence.
Les flèches nord et est de la boussole indiquent l’orientation de l’image sur le ciel. Notez que la relation entre le nord et l’est sur le ciel (vu de dessous) est inversée par rapport aux flèches de direction sur une carte du sol (vue de dessus).
La barre d’échelle est indiquée en années-lumière, qui correspond à la distance parcourue par la lumière en une année terrestre. (Il faut 0,1 an à la lumière pour parcourir une distance égale à la longueur de la barre d’échelle.) Une année-lumière équivaut à environ 5,88 billions de milles ou 9,46 billions de kilomètres. Le champ de vision montré sur cette image est d’environ 0,5 année-lumière de diamètre et 0,8 année-lumière de haut.
Cette image montre des longueurs d’onde invisibles du proche infrarouge qui ont été traduites en couleurs de lumière visible. La clé de couleur montre quels filtres NIRCam ont été utilisés lors de la collecte de la lumière. La couleur de chaque nom de filtre est la couleur de la lumière visible utilisée pour représenter la lumière infrarouge qui traverse ce filtre.
Crédits : NASA, ESA, CSA, STScI, Kevin Luhman (PSU), Catarina Alves de Oliveira (ESA)
Expliquer comment une si petite naine brune a pu se former est théoriquement un défi. Un nuage de gaz lourd et dense possède suffisamment de gravité pour s’effondrer et former une étoile. Cependant, en raison de sa gravité plus faible, il devrait être plus difficile pour un petit nuage de s’effondrer pour former une naine brune, et cela est particulièrement vrai pour les naines brunes ayant la masse des planètes géantes.
« Il est assez facile avec les modèles actuels de créer des planètes géantes dans un disque autour d’une étoile », a déclaré Catarina Alves de Oliveira de l’ESA (Agence spatiale européenne), chercheur principal du programme d’observation. «Mais dans cet amas, il serait peu probable que cet objet se soit formé dans un disque, se formant plutôt comme une étoile, et trois masses de Jupiter sont 300 fois plus petites que notre Soleil. Nous devons donc nous demander comment le processus de formation d’étoiles fonctionne-t-il avec des masses aussi très petites ?
Une molécule mystérieuse
En plus de donner des indices sur le processus de formation des étoiles, les minuscules naines brunes peuvent également aider les astronomes à mieux comprendre les exoplanètes. Les naines brunes les moins massives chevauchent les plus grandes exoplanètes ; par conséquent, on s’attendrait à ce qu’ils aient des propriétés similaires. Cependant, une naine brune flottant librement est plus facile à étudier qu’une naine géante. exoplanète puisque cette dernière est cachée sous l’éclat de son étoile hôte.
Deux des naines brunes identifiées dans cette étude montrent la signature spectrale d’un hydrocarbure non identifié, ou d’une molécule contenant à la fois des atomes d’hydrogène et de carbone. La même signature infrarouge a été détectée par la mission Cassini de la NASA dans l’atmosphère de Saturne et sa lune Titan. On l’a également observé dans le milieu interstellaire, ou gaz entre les étoiles.
« C’est la première fois que nous détectons cette molécule dans l’atmosphère d’un objet extérieur à notre système solaire », a expliqué Alves de Oliveira. « Les modèles pour les atmosphères des naines brunes ne prédisent pas son existence. Nous examinons des objets plus jeunes et de masses plus faibles que jamais auparavant, et nous voyons quelque chose de nouveau et d’inattendu.
Naine brune ou planète voyou ?
Étant donné que les objets se situent bien dans la gamme de masse des planètes géantes, cela soulève la question de savoir s’il s’agit réellement de naines brunes ou s’il s’agit réellement de planètes voyou qui ont été éjectées des systèmes planétaires. Bien que l’équipe ne puisse pas exclure cette dernière hypothèse, elle affirme qu’il s’agit bien plus probablement d’une naine brune que d’une planète éjectée.
Une planète géante éjectée est peu probable pour deux raisons. Premièrement, de telles planètes sont généralement rares par rapport aux planètes de masse plus petite. Deuxièmement, la plupart des étoiles sont des étoiles de faible masse et les planètes géantes sont particulièrement rares parmi ces étoiles. En conséquence, il est peu probable que la plupart des étoiles de l’IC 348 (qui sont des étoiles de faible masse) soient capables de produire des planètes aussi massives. De plus, comme l’amas n’a que 5 millions d’années, les planètes géantes n’ont probablement pas eu le temps de se former puis d’être éjectées de leur système.
La découverte d’autres objets de ce type contribuera à clarifier leur statut. Les théories suggèrent que les planètes voyou sont plus susceptibles d’être trouvées à la périphérie d’un amas d’étoiles, donc élargir la zone de recherche pourrait les identifier si elles existent dans IC 348.
Les travaux futurs pourraient également inclure des enquêtes plus longues permettant de détecter des objets plus faibles et plus petits. La courte enquête menée par l’équipe devait détecter des objets aussi petits que deux fois la masse de Jupiter. Des relevés plus longs pourraient facilement atteindre une masse de Jupiter.
Ces observations ont été réalisées dans le cadre du programme d’observation en temps garanti 1229. Les résultats ont été publiés dans le Journal astronomique.
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 dirigé par la NASA avec ses partenaires, l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’Agence spatiale canadienne.
