La nébuleuse de flamme, située à environ 1 400 années-lumière de la Terre, est un foyer de formation d'étoiles de moins d'un million d'années. Dans la nébuleuse de la flamme, il y a des objets si petits que leurs noyaux ne pourront jamais fusionner de l'hydrogène comme des étoiles à part entière – des nains bruns.
Les nains bruns, souvent appelés «étoiles ratés», deviennent avec le temps très sombres et beaucoup plus fraîches que les étoiles. Ces facteurs rendent l'observation des nains bruns avec la plupart des télescopes difficiles, voire impossibles, même à des distances cosmiquement courtes du soleil. Cependant, lorsqu'ils sont très jeunes, ils sont encore relativement plus chauds et plus brillants et donc plus faciles à observer malgré la poussière et le gaz obscurcissants qui comprennent la nébuleuse de flamme dans ce cas.
Le télescope spatial James Webb de la NASA peut percer cette région dense et poussiéreuse et voir la légère lueur infrarouge des jeunes nains bruns. Une équipe d'astronomes a utilisé cette capacité pour explorer la limite de masse la plus basse des nains bruns dans la nébuleuse de la flamme. Le résultat, a-t-ils trouvé, étaient des objets flottants en libre-service environ deux à trois fois la masse de Jupiter, bien qu'ils soient sensibles à 0,5 fois la masse de Jupiter.
« L'objectif de ce projet était d'explorer la limite fondamentale de la masse basse du processus de formation des naines étoiles et brunes. Avec Webb, nous sommes en mesure de sonder les objets de masse les plus faibles et les plus bas », a déclaré l'auteur de l'étude principale Matthew de Furio de l'Université du Texas à Austin.
La recherche est publiée dans Les lettres de journal astrrophysique.
Fragments plus petits
La limite de faible masse que l'équipe recherchée est fixée par un processus appelé fragmentation. Dans ce processus, de grands nuages moléculaires, à partir desquels sont nés des étoiles et des nains bruns, se séparent en unités de plus en plus petites ou des fragments.
La fragmentation dépend fortement de plusieurs facteurs, l'équilibre entre la température, la pression thermique et la gravité étant parmi les plus importants. Plus précisément, à mesure que les fragments se contractent sous la force de la gravité, leurs noyaux chauffent. Si un noyau est suffisamment massif, il commencera à fusionner l'hydrogène.
La pression extérieure créée par cette fusion contrecarre la gravité, arrêtant l'effondrement et stabilisant l'objet (alors connu sous le nom d'étoile). Cependant, les fragments dont les noyaux ne sont pas compacts et assez chauds pour brûler l'hydrogène continuent de se contracter tant qu'ils rayonnent leur chaleur interne.
« Le refroidissement de ces nuages est important car si vous avez suffisamment d'énergie interne, cela combatra cette gravité », explique Michael Meyer de l'Université du Michigan. « Si les nuages refroidissent efficacement, ils s'effondrent et se séparent. »
La fragmentation s'arrête lorsqu'un fragment devient suffisamment opaque pour réabsorber son propre rayonnement, arrêtant ainsi le refroidissement et empêchant l'effondrement. Les théories ont placé la limite inférieure de ces fragments entre une et dix masses Jupiter. Cette étude rétrécit considérablement qui s'étend que le recensement de Webb a compté les fragments de différentes masses au sein de la nébuleuse.
« Comme dans de nombreuses études précédentes, au fur et à mesure que vous allez dans des masses inférieures, vous obtenez en fait plus d'objets jusqu'à environ dix fois la masse de Jupiter. Dans notre étude avec le télescope spatial James Webb, nous sommes sensibles à 0,5 fois la masse de Jupiter, et nous trouvons beaucoup moins et moins de choses lorsque vous descendez dix fois la masse de Jupiter, a expliqué De Furio.
« Nous trouvons moins d'objets à cinq jupiter-mass que les objets de dix-jupiter-mass, et nous trouvons beaucoup moins d'objets à trois jupiter-mass que les objets de cinq jupiter-mass. Nous ne trouvons pas vraiment d'objets en dessous de deux ou trois masses Jupiter, et nous nous attendons à les voir s'ils sont là, donc nous supposons que cela pourrait être la limite elle-même. »
Meyer a ajouté: « Webb, pour la première fois, a pu sonder jusqu'à cette limite. Si cette limite est réelle, il ne devrait vraiment pas y avoir d'objets de masse à un jupiter en fonctionnement libre dans notre Galaxie de la Voie lactée, à moins qu'ils ne soient formés sous forme de planètes puis ont été expulsés d'un système planétaire. »
S'appuyant sur l'héritage de Hubble
Les nains bruns, étant donné la difficulté de les trouver, ont une multitude d'informations à fournir, en particulier dans la formation d'étoiles et la recherche planétaire compte tenu de leurs similitudes avec les étoiles et les planètes. Le télescope spatial Hubble de la NASA est à la recherche de ces nains bruns depuis des décennies.
Même si Hubble ne peut pas observer les nains bruns dans la nébuleuse de la flamme à une masse aussi faible que Webb, il a été crucial pour identifier les candidats pour une étude plus approfondie. Cette étude est un exemple de la façon dont Webb a pris le bâton – des décennies de données Hubble du complexe de nuages moléculaires d'Orion – et a permis une recherche approfondie.
« Il est vraiment difficile de faire ce travail, en regardant les nains bruns jusqu'à dix masses de Jupiter, à partir du sol, en particulier dans des régions comme celle-ci. Et avoir des données Hubble existantes au cours des 30 dernières années environ nous a permis de savoir qu'il s'agit d'une région de formation d'étoiles vraiment utile.
« C'est un saut quantique dans nos capacités entre comprendre ce qui se passait de Hubble. Webb ouvre vraiment un domaine entièrement nouveau de possibilités, comprenant ces objets », a expliqué l'astronome Massimo Robberto du Space Telescope Science Institute.
Cette équipe continue d'étudier la nébuleuse de la flamme, en utilisant les outils spectroscopiques de Webb pour caractériser davantage les différents objets de son cocon poussiéreux.
« Il y a un grand chevauchement entre les choses qui pourraient être des planètes et les choses qui sont des nains bruns très, très basse », a déclaré Meyer. « Et c'est notre travail dans les cinq prochaines années: pour déterminer lequel est lequel et pourquoi. »
