Africa-Press – Niger. Ces voiles gigantesques s’étirent entre les étoiles, parfois sur des dizaines d’années-lumière. Ils sont faits d’hydrogène et d’hélium, les éléments les plus abondants de l’Univers, forgés lors du Big Bang. Leur température n’excède pas les -263 °C. Difficile de croire que ces nuages glacés, 100 milliards de fois moins denses que l’atmosphère terrestre, constituent le berceau des étoiles et de leur cortège de planètes. Comment passe-t-on d’un environnement aussi rudimentaire aux sophistications d’un système solaire comme le nôtre ? Cette interrogation est au cœur du projet Ice Age du télescope spatial James Webb (JWST), qui a fourni de premiers résultats dans une publication parue dans Nature Astronomy le 23 janvier.
Tout au long de cette première année d’observations, le télescope a tourné régulièrement ses instruments vers le nuage Caméléon I, à 630 années-lumière de la Terre, dans la constellation du Caméléon (hémisphère sud). « Cette zone contient toute l’histoire de l’évolution chimique menant des nuages de gaz atomiques et moléculaires jusqu’aux étoiles. Mais nous avons choisi d’étudier une zone éloignée des étoiles en formation afin d’avoir accès à la matière la plus froide, et la plus brute « , explique Jennifer Noble, astrophysicienne au laboratoire Physique des interactions ioniques et moléculaires (CNRS/université Aix-Marseille), et coauteure de l’article.
L’objectif était de faire l’inventaire des espèces chimiques de cette région, en sondant le plus profondément possible dans le nuage. « Pour cela, on se sert d’une étoile en arrière-plan qui n’appartient pas au nuage, mais que sa lumière traverse, poursuit la chercheuse. Les espèces chimiques absorbent au passage sélectivement certaines longueurs d’onde de la lumière. Leur analyse par spectroscopie révèle les ’empreintes’ qui constituent une carte d’identité des molécules rencontrées. » Et la moisson a été bonne : des glaces simples comme l’eau, mais aussi les formes gelées d’un large éventail de molécules : sulfure de carbonyle, ammoniac, méthane, et jusqu’à la molécule organique la plus simple, le méthanol. Tout cela à partir, donc, de l’hydrogène et de l’hélium…
« Une telle chimie est possible grâce à la présence de poussières dans ces nuages, détaille Jennifer Noble. Elles servent de support pour les réactions. Par exemple, deux atomes d’hydrogène se rencontrent sur le grain et établissent une liaison. La réaction libère assez d’énergie pour expulser le dihydrogène dans l’espace. En revanche, si un atome d’oxygène lié à un atome d’hydrogène (OH) rencontre sur le grain un atome d’hydrogène, la réaction ne libère pas assez d’énergie pour permettre à l’eau ainsi formée de s’évader. La molécule adhère au grain, et forme de la glace. C’est ainsi que tous les grains sont recouverts d’une pellicule de glace, dont le JWST permet d’attester la présence. »
Toute la ribambelle de molécules observées par le télescope spatial, grâce aux instruments NIRCam, NIRspec et MIRI, se sont formées ainsi. Leur découverte n’est toutefois pas tant une surprise qu’une confirmation. Bon nombre d’entre elles avaient été vues par les télescopes spatiaux infrarouges Spitzer (Nasa), Akari (Jaxa) et ISO (ESA), mais jamais aussi profondément dans un nuage, ce que vient de réaliser le JWST. « La lumière d’une étoile qui traverse le nuage dans sa zone la plus dense est forcément très atténuée. Les instruments précédents, de plus petite taille, ne permettaient pas de recueillir suffisamment de photons pour les analyser. Le JWST a bouleversé tout cela. »
Le rôle des étoiles massives sur le destin des systèmes solaires
Et la moisson n’est pas terminée. Ces premières mesures n’excluent pas la présence de molécules plus complexes. Des spectres traçant la présence de liaisons carbone-hydrogène, carbone-azote-hydrogène, ou encore carbone-soufre-oxygène ont été détectés par NIRSpec. « Tous ces groupements fonctionnels suggèrent la présence de molécules organiques complexes, mais il est encore trop tôt pour les attribuer à telle ou telle molécule. Nous sommes en quelque sorte en présence des pièces d’un puzzle qu’il nous faut assembler. » Par ailleurs, lors des prochains cycles d’observation, le JWST analysera d’autres nuages moléculaires afin de conforter les résultats sur Caméléon I.
Les étoiles et les planètes disposent donc d’une vaste panoplie de molécules organiques complexes, indispensables à la vie, lorsqu’elles se forment par effondrement d’une partie de ces nuages. Comment se produisent de tels effondrements ? Les premiers résultats, qui ne concernent pas directement la formation des étoiles mais plutôt les conditions de leur formation, sont déjà là. Olivier Berné, astrophysicien à l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie de Toulouse, dirige l’un des programmes prioritaires du JWST consacré à l’étude de l’impact des étoiles massives (au-delà de huit masses solaires) sur leur environnement. En effet, lorsque l’on parle de « naissance d’étoiles », il faut penser au pluriel…
« Il y a l’image classique du nuage moléculaire qui s’effondre et forme une étoile, reconnaît Olivier Berné. Mais ça ne se passe pas comme ça. Dans la majorité des cas, les étoiles naissent en amas, dans lequel il y a toujours une ou plusieurs étoiles massives. Ainsi, lorsqu’apparaît une étoile de type solaire, il y a toutes les chances qu’à côté se trouve une étoile massive. Et par son rayonnement, elle va complètement perturber l’environnement de l’étoile, et le destin des planètes éventuelles. »
Les étoiles massives brûlent la chandelle par les deux bouts. Elles vivent bien moins longtemps que notre soleil (quelques centaines de millions d’années, voire moins) car elles consomment rapidement leur hydrogène qui fusionne en hélium. À cette occasion, elles irradient une très forte quantité de rayons ultraviolets. Ce rayonnement agit sur les molécules en brisant des liaisons chimiques. Par ailleurs, il transporte beaucoup de chaleur… Ainsi, une étoile massive a un impact fondamental sur toute la chimie qui l’entoure. « Or, jusqu’à présent, nous savions très peu de choses sur ce type d’environnements. Nous connaissions leur existence, mais sans pouvoir les analyser, d’autant plus que la région de formation d’étoiles massives la plus proche est la nébuleuse d’Orion, à 1350 années-lumière. La sensibilité et la résolution du JWST nous ont permis pour la première fois d’analyser physiquement et chimiquement la zone. »
L’un des premiers résultats obtenus justement dans la nébuleuse d’Orion illustre d’emblée le rôle capital des étoiles massives sur le destin des systèmes solaires en formation. « Nous pensons par exemple qu’une étoile massive empêche la formation de géantes gazeuses de type ‘Jupiter’ dans un système proche. Car le rayonnement ultraviolet chauffe le gaz de telle sorte qu’il échappe au champ gravitationnel de l’étoile, en particulier si celle-ci est de faible masse. Un disque ainsi chauffé perdrait l’équivalent de 1 % de la masse de la Terre par an. De quoi faire disparaître le disque en 400.000 ans au maximum, ce qui ne laisse pas assez de temps pour former une planète de type ‘Jupiter’. »
Des résultats qui éclairent aussi notre propre histoire
Ce résultat confirme les observations de systèmes d’exoplanètes où, en effet, il n’y a pas de géantes autour d’étoiles de faible masse. L’explication donnée jusqu’à présent était que des étoiles plus petites retenaient forcément moins de matière autour d’elles, et donc ne parvenaient pas à former des planètes géantes.
« Mais cette explication n’était pas complètement satisfaisante, car il a déjà été observé des disques protoplanétaires très massifs autour d’étoiles peu massives, relève Olivier Berné. Notre explication est intéressante car elle apporte une solution fondée sur la physique en lien avec l’environnement du système « . Notre propre système solaire a subi l’influence d’une étoile massive durant au moins son premier million d’années, ces études de formation des étoiles et de leurs planètes renvoient donc aussi à notre propre histoire. « Heureusement pour nous, cette étoile devait être assez éloignée pour empêcher Jupiter de se former. Sans cela, le Système solaire aurait eu un aspect bien différent « . Et rien ne garantit que nous serions là pour le contempler…
La nébuleuse d’Orion dévoilée par le JWST
C’est la pouponnière d’étoiles la plus proche du Système solaire, à 1350 années-lumière de nous (photo ci-dessus). Il s’y forme des étoiles à partir de l’effondrement de nuages moléculaires sur eux-mêmes. La région est scrutée depuis longtemps par les astronomes amateurs tout comme par Hubble. Le James Webb, en observant dans l’infrarouge, permet de voir à travers les poussières qui obscurcissent en partie le nuage. Ces nouvelles images révèlent des structures spectaculaires, jusqu’à des échelles d’environ 6 milliards de kilomètres. Parmi elles, des filaments de matière denses, où se formeraient les nouvelles générations d’étoiles. Notre système solaire s’est sans doute formé dans des conditions analogues.
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