Une équipe internationale - dont Valentin Christiaens de l'Université de Liège - a utilisé le télescope spatial JWST pour étudier le disque protoplanétaire autour d'ISO-ChaI-147, une jeune étoile de très faible masse. Les résultats révèlent la plus riche diversité chimique observée à ce jour dans un disque, et améliorent notre compréhension de la diversité des systèmes planétaires.
L
es planètes se forment dans des disques de gaz et de poussière - appelés disques protoplanétaires - en orbite autour de jeunes étoiles. Les données dont nous disposons indiquent que les planètes terrestres se forment de manière plus efficace que les géantes gazeuses dans les disques entourant les étoiles de très faible masse, qui sont les plus abondantes de notre galaxie. Bien que les planètes rocheuses autour d’étoiles de très faible masse soient le type de planètes le plus commun autour des étoiles les plus courantes de notre galaxie, leur composition planétaire reste largement inconnue. C’est le cas par exemple des sept planètes rocheuses du système TRAPPIST-1, dont la composition a, jusqu'ici, généralement été considérée comme similaire à celle de la Terre.
Les nouvelles données fournies par le JWST suggèrent que la composition des disques protoplanétaires autour d’étoiles de très faible masse peut évoluer différemment de celle de disques autour d’étoiles plus massives comme notre Soleil. C'est en tout cas ce que le programme de recherche
(MINDS), qui vise à établir un lien entre l'inventaire chimique des disques et les propriétés des exoplanètes, vient de découvrir. Dans l'étude qui vient d'être publiée, l'équipe de recherche a exploré la région autour d'ISO-ChaI-147, une étoile de très faible masse (0,11 masse solaire) de la même catégorie que TRAPPIST-1 , mais bien plus jeune et encore entourée d’un disque protoplanétaire. Ces observations permettent de mieux comprendre l'environnement et les ingrédients de base utilisés pour la formation de ces planètes. L'équipe a pu constater que le gaz du disque est riche en carbone. Cela s'expliquerait par une extraction efficace du carbone de la matière solide pour être mélangé au gaz, potentiellement via la sublimation des hydrocarbures à la surface des grains de poussière lorsque ces grains migrent vers leur étoile - où il fait plus chaud. Cette réduction de la quantité de carbone de la matière solide impliquerait que les planètes rocheuses se formant dans ces disques soient pauvres en carbone. Pour indication la Terre est aussi considérée relativement pauvre en carbone, toutefois les observations de MINDS de disques autour d’étoiles comme le Soleil montrent que la composition de la phase gazeuse de ces disques est beaucoup plus riche en espèces oxygénées (tel que le CO2 ou le H2O) que dans le cas d’ISO-ChaI-147.
"C'est une découverte importante, explique Valentin Christiaens, Chargé de recherche FNRS à l'ULiège, qui a été rendue possible grâce à la haute sensibilité de l’instrument infrarouge moyen (MIRI) du télescope JWST et de la résolution spectrale inégalée de son spectromètre (MRS). On parle ici de la découverte de la plus grande variété d’hydrocarbures à ce jour, soit 13 molécules carbonées différentes, au sein d’un même disque protoplanétaire, et qui inclut entre autres la première détection d’éthane (C2H6), d'éthylène (C2H4), de propyne (C3H4) ou du radical méthyl (CH3) dans un disque protoplanétaire." Le chercheur du PSILab a contribué à l’élaboration du pipeline (ou chaîne de traitement) qui a été utilisé pour la réduction des données et l’obtention d’un spectre de haute qualité permettant l’identification de ces espèces.
"Auparavant, nous ne pouvions identifier que les émissions d'acétylène (C H22 ) de cet objet, reprend Aditya Arabhavi, chercheur à l'Université de Groningue et premier auteur de l'étude. Cependant, la plus grande sensibilité et la meilleure résolution spectrale du JWST nous ont permis de détecter de faibles émissions de molécules moins abondantes. Le JWST nous a également permis de comprendre que ces molécules d'hydrocarbures ne sont pas seulement diverses, mais aussi abondantes".
A ce jour la composition attendue de planètes terrestres autour d’étoiles très froides telles que TRAPPIST-1 n’est pas bien contrainte. Cette étude révèle une moisson très abondante de molécules traçant les ingrédients de base disponibles aux planètes se formant autour de telles étoiles. Elle permet de bien mettre en évidence les différences de composition attendues pour les planètes terrestres se formant autour d’étoiles de masse/température différente.
L'équipe scientifique a ensuite l'intention d'étendre son étude à un échantillon plus large de disques de ce type autour d'étoiles de très faible masse, afin de mieux comprendre la fréquence de ces régions exotiques de formation de planètes terrestres riches en gaz carboné, mais aussi de mieux comprendre comment ces molécules peuvent se former. Plusieurs caractéristiques des données du JWST n'ont pas encore été identifiées, de sorte qu'une spectroscopie plus poussée est nécessaire pour interpréter pleinement les observations.
Arabhavi A. & al., Abundant hydrocarbons in the disk around a very-low-mass star, Science, 6 June 2024.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi8147
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