Vue d'artiste d'un objet de la ceinture de Kuiper (KBO), situé sur le bord extérieur de notre système solaire, à une distance stupéfiante de 6,5 milliards de kilomètres du Soleil. Crédits : NASA, ESA et G. Bacon (STScI)
Une équipe de recherche dirigée par l'UCF a découvert une présence significative de glaces anciennes de dioxyde de carbone et de monoxyde de carbone sur des objets transneptuniens, indiquant que le dioxyde de carbone aurait pu être présent lors de la formation de notre système solaire.
Pour la première fois, des glaces de dioxyde de carbone et de monoxyde de carbone ont été détectées sur des objets transneptuniens (TNO) dans les régions les plus éloignées de notre système solaire.
Une équipe de recherche, dirigée par les planétologues Mário Nascimento De Prá et Noemí Pinilla-Alonso de l'Institut spatial de Floride (FSI) de l'Université de Floride centrale, a fait ces découvertes en utilisant les capacités spectrales infrarouges de l' Télescope spatial James Webb (JWST) pour analyser la composition chimique de 59 objets transneptuniens et des Centaures.
L'étude pionnière, publiée dans Astronomie de la nature, suggère que la glace de dioxyde de carbone était abondante dans les régions extérieures froides de la disque protoplanétairele vaste disque rotatif de gaz et de poussière à partir duquel le système solaire s'est formé. Des recherches plus approfondies sont nécessaires pour comprendre les origines de la glace de monoxyde de carbone, car elle est également présente dans les TNO étudiés.
Les chercheurs ont signalé la détection de dioxyde de carbone dans 56 TNO et de monoxyde de carbone dans 28 (plus six avec des détections douteuses ou marginales), sur un échantillon de 59 objets observés avec le JWST. Le dioxyde de carbone était répandu sur les surfaces de la population transneptunienne, indépendamment de la classe dynamique et de la taille du corps, tandis que le monoxyde de carbone n'a été détecté que dans les objets avec une abondance élevée de dioxyde de carbone, selon l'étude.
Spectre de la surface d'un objet transneptunien riche en glaces volatiles de carbone obtenu avec le JWST dans le cadre du programme DiSCo Large. Les absorptions de dioxyde de carbone (CO2), de son isotopologue (13CO2) et de monoxyde de carbone sont surlignées en jaune. La lumière du Soleil (proche du centre de l'image) est atténuée à des milliards de kilomètres de là, là où se trouvent les objets transneptuniens. Crédit : William Gonzalez Sierra, Florida Space Institute
Ces travaux font partie du programme Discovering the Surface Compositions of Trans-Neptunian Objects (DiSCo-TNOs), dirigé par l'UCF, l'un des programmes du JWST axé sur l'analyse de notre système solaire.
« C’est la première fois que nous observons cette région du spectre pour une large collection de TNO, donc dans un sens, tout ce que nous avons vu était passionnant et unique », explique de Prá, co-auteur de l’étude. « Nous ne nous attendions pas à trouver que le dioxyde de carbone était si omniprésent dans la région des TNO, et encore moins que le monoxyde de carbone soit présent dans autant de TNO. »
La découverte des glaces peut nous aider à mieux comprendre la formation de notre système solaire et la manière dont les objets célestes ont pu migrer, dit-il.
« Les objets transneptuniens sont des vestiges du processus de formation planétaire », explique de Prá. « Ces découvertes peuvent imposer des contraintes importantes sur le lieu où ces objets se sont formés, sur la façon dont ils ont atteint la région qu’ils habitent aujourd’hui et sur la façon dont leur surface a évolué depuis leur formation. Comme ils se sont formés à de plus grandes distances du Soleil et sont plus petits que les planètes, ils contiennent des informations intactes sur la composition originale du disque protoplanétaire. »
Chronique de la glace ancienne
De la glace de monoxyde de carbone a été observée sur Pluton par la sonde New Horizons, mais ce n'est qu'avec le JWST qu'un observatoire suffisamment puissant a pu être installé pour localiser et détecter des traces de glace de monoxyde de carbone ou de glace de dioxyde de carbone sur la plus grande population de TNO.
Le dioxyde de carbone est présent dans de nombreux objets de notre système solaire. L'équipe DiSCo était donc curieuse de voir s'il existait en plus grande quantité au-delà des limites de la Terre. Neptune.
Les raisons possibles de l'absence de détections antérieures de glace de dioxyde de carbone sur les TNO incluent une plus faible abondance, du dioxyde de carbone non volatil s'enfouissant sous des couches d'autres glaces moins volatiles et de matériaux réfractaires au fil du temps, une conversion en d'autres molécules par irradiation et de simples limitations observationnelles, selon l'étude.
La découverte de dioxyde de carbone et de monoxyde de carbone dans les TNO fournit un certain contexte tout en soulevant de nombreuses questions, explique de Prá.
« Alors que le dioxyde de carbone a probablement été accrété à partir du disque protoplanétaire, l’origine du monoxyde de carbone est plus incertaine », dit-il. « Ce dernier est une glace volatile même dans les surfaces froides des TNO. Nous ne pouvons pas exclure que le monoxyde de carbone ait été accrété de manière primordiale et ait été d’une manière ou d’une autre retenu jusqu’à ce jour. Cependant, les données suggèrent qu’il pourrait être produit par l’irradiation à partir de glaces contenant du carbone. »
Une avalanche de réponses
La confirmation de la présence de dioxyde de carbone et de monoxyde de carbone dans les TNO ouvre de nombreuses possibilités d'études plus approfondies et de quantification de la manière ou de la raison de leur présence, explique Pinilla-Alonso, qui est également co-auteur de l'étude et dirige le programme DiSCo-TNOs.
« La découverte de dioxyde de carbone sur des objets transneptuniens a été passionnante, mais ses caractéristiques ont été encore plus fascinantes », explique-t-elle. « L’empreinte spectrale du dioxyde de carbone a révélé deux compositions de surface distinctes dans notre échantillon. Dans certains objets transneptuniens, le dioxyde de carbone est mélangé à d’autres matériaux comme le méthanol, la glace d’eau et les silicates. Cependant, dans un autre groupe, où le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone sont des composants de surface majeurs, la signature spectrale était étonnamment unique. Cette empreinte nette du dioxyde de carbone ne ressemble à rien d’observé sur d’autres corps du système solaire ou même à ce qui a été reproduit en laboratoire. »
Il semble désormais évident que lorsque le dioxyde de carbone est abondant, il apparaît isolé des autres matériaux, mais cela n'explique pas à lui seul la forme des bandes, explique Pinilla-Alonso. Comprendre ces bandes de dioxyde de carbone est un autre mystère, probablement lié à leurs propriétés optiques uniques et à la façon dont elles réfléchissent ou absorbent des couleurs de lumière spécifiques, dit-elle.
Il a été communément émis l’hypothèse que le dioxyde de carbone pourrait être présent dans les TNO, car le dioxyde de carbone existe à l’état gazeux dans les comètes, qui sont comparables en composition, explique Pinilla-Alonso.
« Dans les comètes, nous observons le dioxyde de carbone sous forme de gaz, libéré par la sublimation de glaces à la surface ou juste en dessous », explique-t-elle. « Cependant, comme le dioxyde de carbone n’avait jamais été observé à la surface des TNO, on pensait généralement qu’il était piégé sous la surface. Nos dernières découvertes bouleversent cette idée. Nous savons désormais que le dioxyde de carbone est non seulement présent à la surface des TNO, mais qu’il est également plus courant que la glace d’eau, que nous pensions auparavant être le matériau de surface le plus abondant. Cette révélation modifie radicalement notre compréhension de la composition des TNO et suggère que les processus affectant leur surface sont plus complexes que nous le pensions. »
Décongeler les données
Les co-auteurs de l'étude, Elsa Hénault, doctorante à l'Institut d'Astrophysique Spatiale de l'Université Paris-Saclay et au Centre National de la Recherche Scientifique, et Rosario Brunetto, superviseur d'Hénault, ont apporté une perspective de laboratoire et de chimie à l'interprétation des observations du JWST.
Hénault a analysé et comparé les bandes d'absorption du dioxyde de carbone et du monoxyde de carbone sur tous les objets. Bien que les traces de glace soient nombreuses, il existe une grande diversité en termes d'abondance et de distribution, explique Hénault.
« Bien que nous ayons constaté que le CO2 est omniprésent dans les OTN, il n’est certainement pas distribué uniformément », dit-elle. « Certains objets sont pauvres en dioxyde de carbone tandis que d’autres sont très riches en dioxyde de carbone et présentent du monoxyde de carbone. Certains objets présentent du dioxyde de carbone pur tandis que d’autres le contiennent mélangé à d’autres composés. En reliant les caractéristiques du dioxyde de carbone aux paramètres orbitaux et physiques, nous avons pu conclure que les variations du dioxyde de carbone sont probablement représentatives des différentes régions de formation et de l’évolution précoce des objets. »
Grâce aux analyses, il est très probable que du dioxyde de carbone était présent dans le disque protoplanétaire, mais il est peu probable que le monoxyde de carbone soit primordial, précise Hénault.
« Le monoxyde de carbone pourrait être efficacement formé par le bombardement constant d’ions provenant de notre soleil ou d’autres sources », explique-t-elle. « Nous explorons actuellement cette hypothèse en comparant les observations avec des expériences d’irradiation ionique qui peuvent reproduire les conditions de congélation et d’ionisation des surfaces de TNO. »
Ces recherches ont apporté des réponses définitives à des questions de longue date remontant à la découverte des OTN il y a près de 30 ans, mais les chercheurs ont encore un long chemin à parcourir, explique M. Hénault.
« D’autres questions se posent désormais », dit-elle. « Notamment celle de l’origine et de l’évolution du monoxyde de carbone. Les observations sur l’ensemble du spectre sont si riches qu’elles occuperont certainement les scientifiques pendant des années. »
Bien que les observations du programme DiSCo soient sur le point d'être terminées, l'analyse et la discussion des résultats sont encore loin d'être terminées. Les connaissances fondamentales acquises grâce à l'étude se révéleront un complément important pour les futures recherches en planétologie et en astronomie, affirme de Prá.
« Nous n’avons fait qu’effleurer la surface de la composition de ces objets et de la façon dont ils sont apparus », explique-t-il. « Nous devons maintenant comprendre la relation entre ces glaces et les autres composés présents à leur surface et comprendre l’interaction entre leur scénario de formation, leur évolution dynamique, la rétention des matières volatiles et les mécanismes d’irradiation tout au long de l’histoire du système solaire. »
La recherche a été financée par NASA.
