Des images ont été obtenues pour la première fois d’une limite neigeuse lointaine dans un jeune système planétaire. Située dans le disque autour de l’étoile TW Hydra, semblable au Soleil, elle peut nous en apprendre beaucoup sur la formation des planètes et des comètes, sur les facteurs qui déterminent leur structure et sur l’histoire du système solaire.
Des astronomes utilisant le réseau Atacama Large Millimetre-Submillimetre Array (ALMA) ont réalisé la toute première image d’une limite de neige dans un jeune système planétaire. Sur Terre, cette limite se forme à haute altitude, là où les basses températures persistantes transforment l’humidité atmosphérique en neige. Elle est clairement visible sur une montagne, sous la forme d’une ligne de démarcation entre le sommet enneigé et la surface rocheuse nue.
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Limites de neige autour des jeunes étoiles
Elles se forment dans l’espace, sur les disques lointains, froids et riches en poussières, à partir desquels se forment les systèmes planétaires. Lorsque la matière du disque se déplace de l’étoile vers l’espace, l’eau (H2O) gèle en premier, formant le premier cordon de neige.
Photo ALMA d’une ligne de neige de monoxyde de carbone
Plus loin encore de l’étoile, lorsque les températures baissent, des molécules plus exotiques peuvent geler et se transformer en neige : le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4) et le monoxyde de carbone (CO). Cette neige diverse qui s’accroche aux particules de poussière cosmique joue un rôle important en aidant les particules collantes à surmonter leur tendance habituelle à s’effondrer à la suite de collisions mutuelles, ce qui leur permet de devenir les derniers éléments constitutifs des planètes et des comètes.
La neige augmente également la quantité de matériaux disponibles à l’état solide et peut accélérer considérablement le processus de formation des planètes.
Chacun des différents composants de la neige — eau, dioxyde de carbone, méthane et monoxyde de carbone — peut être lié à la formation de certains types de planètes.
Dans un système planétaire autour d’une étoile semblable au Soleil, la limite de neige de l’eau correspondrait à la distance entre les orbites de Mars et de Jupiter, tandis que la limite de neige du monoxyde de carbone correspondrait à l’orbite de Neptune.
La ligne de neige découverte par ALMA donne un premier aperçu de la limite de la neige de monoxyde de carbone autour de TW Hydra, une jeune étoile située à 175 années-lumière de la Terre. Les astronomes pensent que ce système planétaire prometteur présente de nombreuses caractéristiques similaires à celles de notre système solaire lorsqu’il n’avait que quelques millions d’années.
Observations du télescope ALMA
«ALMA nous a donné la première image réelle de la ligne de neige autour d’une jeune étoile et nous renseigne sur les premières périodes de l’histoire du système solaire», a déclaré Chunhua Qi, l’un des deux principaux auteurs de l’article. «Nous pouvons maintenant voir des détails auparavant cachés sur les bords extérieurs gelés d’un autre système planétaire similaire au nôtre».
Mais la présence d’une ligne de neige de monoxyde de carbone pourrait avoir une signification plus sérieuse que la simple formation des planètes. La glace de monoxyde de carbone est nécessaire pour former du méthanol, qui est l’élément constitutif de molécules organiques plus complexes, essentielles à la vie. Si les comètes transportent ces molécules vers des planètes semblables à la Terre qui viennent de naître, elles disposeront des éléments nécessaires à l’apparition de la vie.
La ligne de neige de l’étoile TW Hydra comparée au système solaire
Jusqu’à présent, de telles lignes de neige n’ont jamais été directement identifiées car elles se forment toujours dans le plan central relativement étroit du disque protoplanétaire, de sorte que leur emplacement et leur taille exacts ne peuvent être déterminés. En dehors de la région étroite où les lignes de neige existent, le rayonnement de l’étoile empêche la formation de glace.
Les concentrations de poussière et de gaz dans le plan central sont nécessaires pour protéger la zone du rayonnement jusqu’à ce que le monoxyde de carbone et d’autres gaz puissent se refroidir et geler suffisamment.
Caractéristiques de l’observation
Ce groupe d’astronomes a pu observer l’intérieur de ce disque, où la neige s’est formée par un mécanisme complexe. Au lieu de chercher de la neige qui ne pouvait pas être observée directement, ils ont cherché des molécules connues sous le nom de diazényle (N2H+), qui brille fortement dans la partie millimétrique du spectre et constitue donc une cible idéale pour des télescopes tels qu’ALMA. Cette molécule fragile se décompose facilement en présence de monoxyde de carbone et n’apparaît donc en quantité appréciable que dans les régions où le monoxyde de carbone est suffisant pour former de la neige gelée. En fait, c’est la clé pour trouver une ligne de neige avec du monoxyde de carbone.
La sensibilité et la résolution uniques d’ALMA ont permis aux astronomes de retracer la présence et la distribution du diazényle et de voir des limites bien définies à une distance d’environ 30 unités astronomiques de l’étoile (ce qui correspond à 30 fois la distance entre la Terre et le Soleil).
Le télescope fournit une image négative de la neige de monoxyde de carbone dans le disque autour de TW Hydra, qui peut être utilisée pour voir la limite de la neige de monoxyde de carbone exactement là où la théorie suggère qu’elle devrait être, à savoir au bord intérieur de l’anneau diazényle.
«Pour ces observations, nous n’avons utilisé que 26 antennes ALMA sur les 66 que compte le réseau complet. Des signes de lignes de neige autour d’autres étoiles apparaissent déjà dans d’autres observations ALMA. Nous sommes convaincus que les futures observations avec le réseau complet d’antennes permettront de nouvelles avancées passionnantes dans l’étude de la formation et de l’évolution des planètes. Il ne nous reste plus qu’à attendre et à voir», conclut Michel Hogerheid de l’Observatoire de Leiden, aux Pays-Bas.
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Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023