Les disques protoplanétaires : dans l’oeil du télescope James Webb

Le JWST devait ouvrir une nouvelle ère pour l’astronomie. Deux ans après avoir livré ses premières images, il semble déjà avoir tenu ses promesses aux yeux de la communauté scientifique qui étudie ses données. « À l’heure actuelle, nous cumulons plus de 150 heures d’observation de JWST. Cela représente environ 50 disques protoplanétaires observés, c’est un jeu de données exceptionnel », se réjouit Benoît Tabone, chercheur à l’Institut d’astrophysique spatiale (IAS – Univ. Paris-Saclay / CNRS).

Les disques protoplanétaires sont une des cibles auxquelles s’intéresse le JWST depuis sa mise en service. Ils sont au coeur du programme d’observation MINDS (MIRI mid-Infrared Disk Survey) qui rassemble une équipe internationale de scientifiques, dont Benoît Tabone et Alain Abergel de l’IAS ainsi que Pierre-Olivier Lagage du laboratoire Astrophysique, instrumentation et modélisation de Paris-Saclay (AIM – Univ. Paris-Saclay/ CNRS/CEA/Univ. Paris-Cité).

Le laboratoire AIM et l’IAS font tous deux partie du consortium européen qui a assuré la conception, la construction et l’assemblage de l’un des instruments du JWST, le spectro-imageur MIRI (Mid- InfraRed Instrument). Grâce à cela, ils bénéficient des programmes d’observation dits de temps garanti (Guaranteed Time Observations - GTO), auxquels appartient le programme MINDS. Ce dernier vise à explorer des disques protoplanétaires situés autour d’étoiles allant de la masse de notre Soleil (près de 2 x 10³⁰ kg) jusqu’à des masses dix fois plus faibles.
 

Des nuages moléculaires à la naissance des étoiles et des planètes

Si les disques protoplanétaires intéressent autant les scientifiques, c’est qu’ils constituent un maillon essentiel du cycle de vie des étoiles et de la formation des systèmes planétaires. C’est en effet à l’intérieur même de ces disques que naissent les planètes.

Tout commence au sein des nuages moléculaires, d’immenses nuages composés d’un mélange dense de gaz et de poussières. Sous l’effet d’une perturbation, certaines parties du nuage sont susceptibles de perdre leur stabilité et s’effondrent sur elles-mêmes. Elles produisent alors des embryons d’étoile appelés protoétoiles. « Ces objets sont âgés de seulement quelques dizaines voire une centaine de milliers d’années. Pour une étoile, cela représente l’équivalent d’à peine quelques heures de vie humaine », précise Benoît Tabone.

 À ce stade, la protoétoile est encore entourée d’un amas de gaz et de poussières, qui continue de s’effondrer sur elle, formant un cocon très dense. Au cours des centaines de milliers d’années suivantes, l’embryon grossit en se nourrissant de la matière en effondrement. Progressivement, la température et la pression augmentent à l’intérieur de la protoétoile jusqu’à amorcer en son coeur les réactions de fusion nucléaire, et l’embryon devient une étoile. C’est durant ce même processus que se forme le disque protoplanétaire à partir du mélange de gaz et de poussières qui tourne autour du jeune astre.

D’après les observations, ce disque peut atteindre un diamètre de quelques centaines à un millier d’unités astronomiques (une U.A. valant environ 150 millions de kilomètres) pour une masse de 0,001 à 0,3 masse solaire. Mais sa structure n’est pas uniforme : son épaisseur varie en fonction de la distance avec l’étoile centrale, ce qui lui donne une forme de noeud papillon. Sa densité et sa température fluctuent également en fonction de cette distance. Les scientifiques distinguent ainsi le disque interne, soit le plus proche de l’étoile, du disque externe.

Un disque protoplanétaire survit plusieurs millions d’années et c’est durant ce laps de temps que les planètes se forment. Ce même enchaînement d’évènements est d’ailleurs à l’origine du Soleil et du système solaire. Il y a environ 4,6 milliards d’années, un nuage moléculaire s’est effondré sur lui-même et a donné naissance à un embryon de soleil et à un disque protoplanétaire. Puis la matière s’est progressivement agrégée pour former la Terre et les sept autres planètes du système solaire.

Mais comment les planètes se forment-elles exactement dans un disque ? Dans quelles conditions ? Et pourquoi certaines régions forment-elles des planètes rocheuses, comme la Terre, tandis que d’autres produisent des géantes gazeuses, comme Jupiter ? C’est ce que tentent aujourd’hui de déterminer les astrophysiciennes et astrophysiciens à partir de l’étude des disques.

La matière des disques révélée en détails grâce au JWST

Le concept de disque protoplanétaire comme berceau des planètes remonte au 18e siècle. Mais ce n’est qu’à la fin du 20^e siècle que les scientifiques obtiennent un réel aperçu de la structure de ces disques. Après de premières données dans le domaine millimétrique, Hubble devient, en 1992, le premier télescope à résoudre spatialement des disques autour des étoiles d’une nébuleuse située à un millier d’années-lumière (9,46 x 10¹² km) de la Terre.

Tout s’accélère avec le lancement du télescope ISO (Infrared Space Observatory) en 1995, puis Spitzer en 2003, et le déploiement, en 2011, d’ALMA (Atacama Large Millimeter Array), le réseau d’antennes installées dans le désert d’Atacama, au Chili. « La formation des planètes est un sujet très actif, comptant beaucoup de théories. Ce n’est qu’au cours des dix dernières années que les télescopes sont devenus suffisamment puissants pour scruter les disques les plus proches de nous, à au moins 300 années-lumière », commente Benoît Tabone. Comme ISO puis Spitzer, dont la mission s’est achevée en 2020, le JWST opère dans le domaine de l’infrarouge, jusqu’à des longueurs d’onde de 27 microns (μm), mais avec une sensibilité 100 fois supérieure. De quoi ouvrir un nouvel âge d’or de l’observation des disques protoplanétaires. « La force du JWST est d’observer du gaz plus chaud (100-500°C), dans la zone du disque proche de l’étoile, y compris dans des régions où des planètes semblables à la Terre sont supposées se former », éclaire l’astrophysicien.

La force du JWST réside notamment dans son instrument MIRI. Ce bijou technologique se compose de deux éléments distincts, dont l’imageur MIRIm, et un spectromètre de moyenne résolution à intégrale de champ, MRS. Véritable « machine chimique », cet instrument analyse les molécules présentes dans le disque et qui modifient la lumière émise par l’étoile. Le résultat prend la forme d’un spectre d’émission où chacune des molécules s’illustre par une signature caractéristique.« Grâce à MRS, toutes les raies du spectre sont beaucoup plus fines, on voit beaucoup plus de détails et on peut avoir accès à tout le contenu moléculaire du gaz », confirme Benoît Tabone. Le cas de GW Lup, une jeune étoile de faible masse située à environ 500 années-lumière dans une région appelée Lupus 1, livre un premier exemple des capacités de l’instrument du JWST. En analysant son spectre d’émission, l’équipe de MINDS obtient un aperçu des conditions chimiques et physiques existant au sein du disque interne entourant l’étoile. Elle y détecte la présence de dioxyde de carbone (CO₂), d’eau (H₂O), de cyanure d’hydrogène (HCN), d’acétylène (C₂H₂) et d’hydroxyle (OH). Elle y observe également un isotope du dioxyde de carbone, le ¹³CO₂. Une première dans un disque protoplanétaire.

Autre cas plus surprenant issu du même programme : celui de J160532, une étoile dix fois moins massive que le Soleil et située à environ 500 années-lumière dans le groupe d’étoiles Scorpion-Centaure. Lorsque les astronomes braquent le spectromètre de MIRI sur le disque entourant l’astre, elles et ils obtiennent un spectre plutôt inhabituel. « Nous avons découvert que le disque est étonnamment riche en hydrocarbures », explique le chercheur de l’IAS. Le spectre révèle une quantité très importante d'acétylène (C₂H₂) mais aussi deux molécules jusqu’alors inconnues dans les disques : le benzène (C₆H₆) et le diacétylène (C₄H₂). À l’inverse, l’eau et le dioxyde de carbone, pourtant régulièrement détectés dans d’autres disques, apparaissent en quantité faible.
 

Quel disque pour quel système planétaire ?

Toutes ces découvertes sont précieuses pour les astronomes. Car déterminer la composition chimique des disques est crucial pour mieux comprendre le processus de formation des planètes. Ceci servirait par exemple à établir un lien avec d’autres paramètres, comme la composition de l’atmosphère des exoplanètes. « Imaginez que l’on révèle une région très riche en carbone dans une certaine zone du disque, autour de toutes les étoiles, et que l’on trouve parallèlement des planètes gazeuses, très riches en carbone. Ceci indiquerait que ces planètes ont accrété leur masse dans cette région précise », illustre Benoît Tabone. Mais la situation semble loin d’être aussi simple.

Un des constats faits par le programme MINDS est que les disques affichent en réalité une composition chimique d’une étonnante diversité. « Lorsque l’on regarde les spectres d’émission de deux disques, ils sont toujours différents. Tandis que l’un est riche en hydrocarbures et pauvre en oxygène, l’autre est pauvre en gaz mais riche en grains de silicate… À chaque fois, l’histoire est assez différente. » Or, des disques différents impliquent nécessairement des systèmes planétaires différents. Comment savoir alors quel disque a produit quel système de planètes ? C’est ce que les scientifiques espèrent comprendre en faisant appel à l’approche statistique.

« À partir de l’échantillon observé, l’objectif est de jauger et de quantifier les différences pour essayer d’extraire des similarités ou des régularités dans les propriétés de ces disques. Par exemple, les disques autour des étoiles de faible masse sont-ils généralement très riches en hydrocarbures ? Les disques autour des étoiles de plus fortes masses sont-ils plus riches en oxygène ? L’approche statistique va nous aider à établir des liens », explique l’astrophysicien.
 

Un « laboratoire interstellaire » dans la barre d’Orion

Dans l’oeil du JWST, un autre disque fait office de « laboratoire interstellaire. » Il se nomme d203-506 et se trouve dans la barre d’Orion, à 1 350 années-lumière, au sein d’une des pouponnières d’étoiles les plus proches de la Terre et donc les plus étudiées. L’objet d203-506 diffère des disques précédemment évoqués par une caractéristique importante : c’est ce que les astronomes appellent un proplyd, un disque protoplanétaire irradié. En effet, il est exposé au puissant rayonnement ultraviolet émis par les étoiles massives de l’amas du Trapèze, situées à proximité. Ces astres sont 30 fois plus massifs et 200 000 fois plus lumineux que le Soleil. Autant dire qu’ils imposent des conditions extrêmes à tous les objets dans leur voisinage.

Ces régions exposées aux radiations d’étoiles massives sont la cible d’un autre programme du JWST : PDRs4All (ou Radiative feedback from massive stars as traced by multiband imaging and spectroscopic mosaics), dont Émilie Habart, responsable de l’équipe astrophysique de la matière interstellaire (AMIS) de l’IAS, est une des trois co-PI (principale investigatrice). Pendant les cinq premiers mois d’activité du télescope, les scientifiques ont capturé des données au sein de la barre d’Orion. Et d203-506 y apparaît sous un nouveau jour.

Dans le cas présent, ce n’est pas le disque en lui-même qu’observe le JWST mais le gaz « photoévaporé » qui en sort. « À cause du rayonnement UV de l’étoile massive, une partie du gaz se retrouve arrachée du disque et s’en échappe sous la forme d’un vent », décrypte Marion Zannese, doctorante de l’équipe AMIS de l’IAS impliquée dans le programme PDRs4All. Et ce vent s’échappe vite, très vite. L’analyse du dihydrogène présent montre que le disque d203-506, dont la masse estimée représente dix fois celle de Jupiter (1,9 x 10²⁹ kg), perd l’équivalent de 10^-8 à 10^-6 masse solaire par an. Autrement dit, en moins d’un million d’années, le disque perdrait la quasi-totalité de son gaz. « Avec un tel taux de pertes, le disque n’aura probablement pas le temps de former une planète géante gazeuse comme Jupiter », précise l’astrophysicienne. Cet exemple suggère que les étoiles massives joueraient un rôle non négligeable dans les processus de formation des planètes au sein des disques qu’elles irradient.
 

L’équivalent d’un océan terrestre détruit et formé par mois

Le vent de gaz capté par les instruments du JWST fournit aussi d’autres informations sur les réactions en cours au sein de d203-506. « La matière du vent n’a pas les mêmes caractéristiques que celles du disque. Sa densité est beaucoup plus faible, sa température est sans doute différente aussi. Mais les atomes présents sont les mêmes que dans le disque. » C’est ici que réside tout l’intérêt de l’étude de ce gaz. En disséquant les spectres de lumière infrarouge livrés par MRS, l’équipe de PDRs4All met en évidence un cycle de l’eau. « Ce n’est pas vraiment l’eau que nous observons », précise Marion Zannese, qui a dirigé les travaux. « Nous détectons une molécule qui est caractéristique de la présence d’eau dans ce disque : l’hydroxyle (OH). »

Au-delà de cette simple molécule, c’est une réaction en deux étapes qui est mise en évidence. Lorsqu’une molécule d’eau (H₂O) est photodissociée - détruite sous l’action d’un rayonnement UV -, elle produit une molécule de OH sous un état d’excitation extrême. « Cette molécule tourne très vite sur elle-même, tellement vite qu’elle est prête à se casser, elle aussi. Son état d’excitation redescend ensuite pallier par pallier. »

Durant ce processus, la molécule de OH produit un spectre très caractéristique et c’est précisément lui qu’expose le vent de d203-506. « C’est quelque chose que nous avions déjà détecté ailleurs mais c’est la première fois que nous observons des raies particulièrement excitées avec le JWST. » En plus d’attester de cette réaction, les résultats permettent de quantifier la quantité d’eau détruite par unité de temps. « À partir de l’intensité des raies, nous calculons que l’équivalent d’un océan terrestre, soit environ la totalité des molécules d’eau des océans sur Terre (5 x 10⁴⁶), est détruit chaque mois dans ce disque », explique Marion Zannese.

Un second spectre de OH, capté dans l’infrarouge proche, témoigne, lui aussi, d’un état d’excitation particulier, mais il reste à identifier lequel. Une collaboration avec des physiciens et physiciennes espagnoles apporte les pièces manquantes. « Ces scientifiques réalisent des calculs pour déterminer dans quel état quantique l’hydroxyle se trouve lorsqu’il se forme en phase gazeuse. En astrophysique, ce sont des calculs que nous sommes incapables de faire », souligne la doctorante. Les calculs faits, plus aucun doute ne subsiste : ce spectre caractéristique traduit une réaction entre de l’oxygène et du dihydrogène moléculaire (H₂), autrement dit la première étape vers la formation d’une molécule d’eau. Une fois quantifiée, la réaction apparaît plus importante que le phénomène de photodissociation. En conclusion : si l’équivalent d’un océan terrestre apparaît détruit chaque mois au sein du disque d203-506, il y serait aussi reformé. Cette découverte n’est pas sans implication sur la formation des planètes au sein des disques. Elle pourrait aussi aider à mieux comprendre l’origine de l’eau sur Terre et notamment l’abondance en deutérium ²H – un isotope de l’hydrogène – dans les océans terrestres.
 

Mêler les spécialités pour exploiter les données du JWST

Montrer ce dont le télescope est capable et développer des outils pour aider la communauté scientifique à exploiter ses données, tels sont les principaux objectifs des programmes initiaux ERS (Early Release Science) du JWST, dont PDRs4All fait partie. Si la détection de ce cycle de l’eau ouvre une nouvelle voie dans la caractérisation de la matière présente dans les disques, elle démontre aussi l’importance pour les astrophysiciennes et les astrophysiciens de travailler main dans la main avec des spécialistes d’autres disciplines.

À l’Institut des sciences moléculaires d’Orsay (ISMO –Univ. Paris-Saclay/ CNRS), des scientifiques planchent aussi sur les données de JWST. « Nous menons en laboratoire des expériences ayant pour but de reproduire les conditions dans l’espace et ainsi analyser les observations faites par des télescopes », confirme Emmanuel Dartois, responsable de l’équipe Systèmes moléculaires, astrophysique et environnement (SYSTEMAE) à l’ISMO.

Grâce à ces expériences, Bérenger Gans, Marie-Aline Martin, Ugo Jacovella et Laurent Couvert de l’ISMO, au sein d’une collaboration internationale, contribuent à une autre découverte dans le disque d203-506. Au centre de cette étude : une bande particulière apparue autour de 7 μm dans le spectre d’émission du disque. Après avoir réalisé des modèles et écarté toutes les molécules classiques tombant dans cette région spectrale, le verdict tombe : il s’agit du cation méthyle (CH₃⁺). « Le spectre de CH₃⁺ n’était pas connu. Il n’était pas mesuré en laboratoire de manière précise. Il a donc fallu faire des efforts pour confirmer que c’était une hypothèse plausible puis faire une attribution fine », appuie Emmanuel Dartois.

C’est la première fois que le cation CH₃⁺ est observé en dehors du système solaire. « Détecter cette molécule dans le milieu interstellaire constitue un réel tournant parce que nous pensons depuis très longtemps que CH₃⁺ est à l’origine de beaucoup d’autres espèces d’hydrocarbures », précise Marion Zannese. « Cette détection, très intéressante, nous permet de vérifier si tous les hydrocarbures en phase gazeuse sont bien formés à partir de cette espèce. »
 

Une histoire reconstruite brique par brique

Du cation méthyle, du benzène, un cycle de l’eau… Après seulement deux ans de collecte de données, le JWST offre une riche moisson de découvertes sur les disques protoplanétaires et la formation des planètes. Mais le télescope spatial remonte l’histoire un peu plus loin. « JWST nous permet de sonder plus profondément les régions et d’observer des étapes que nous ne voyions pas avant », complète Emmanuel Dartois, qui participe à un autre programme, Ice Age, dont la PI principale est Melissa McClure (Pays-Bas). Ce programme s’intéresse aux grains de poussière froids présents dans le nuage moléculaire durant le processus de formation stellaire, c’est-à-dire avant l’apparition du disque protoplanétaire. « Avec la spectroscopie du JWST, nous pouvons par exemple mesurer à distance la taille des grains glacés du nuage. »

Ces grains ont beau mesurer à peine un micron, le paramètre a son importance. « La croissance des grains modifie beaucoup de choses au sein du nuage moléculaire, y compris dans la formation des planètes. Là est l’objectif de nos recherches : déterminer les conditions initiales pour mieux comprendre l’évolution vers les étapes suivantes. » De brique en brique, c’est toute l’histoire des étoiles et des systèmes planétaires de l’Univers qui se reconstruit grâce au JWST et ses instruments. « Et ce n’est que le début », conclut le chercheur.
 

Références :

• Tabone et al., A rich hydrocarbon chemistry and high C to O ratio in the inner disk around a very low-mass star, Nature Astronomy, 2024.
• Berné et al., A far-ultraviolet driven photoevaporation flow observed in a protoplanetary disk, Science, 2024.
• Zannese et al., OH as a probe of the warm water cycle in planet-forming disks, Nature Astronomy, 2024.
• Dartois et al., Spectroscopic sizing of interstellar icy grains with JWST, Nature Astronomy, 2023.
   

Cet article est issu de L'Édition n°24.
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