Sur la piste chimique menant des nébuleuses protostellaires aux disques protoplanétaires
De nouveaux systèmes planétaires se forment dans les disques de gaz et de poussière en rotation autour des jeunes étoiles. Ces disques sont petits et contiennent moins de 1 % de la masse du nuage parent qui s’est effondré pour former le système, ce qui les rend difficiles à observer, une instrumentation à haute résolution spatiale s’avérant nécessaire. Le projet CHEMPLAN (Astrochemistry and the Origin of Planetary Systems), soutenu par le CER, a tiré profit des données d’une nouvelle installation, le grand réseau d’antennes millimétrique-submillimétrique de l’Atacama − ALMA, pour sonder la composition chimique de ces régions sur toute la plage de températures allant de 10 à 1 000 K. Le projet a permis de caractériser la structure physique et chimique des nébuleuses où se forment les étoiles et des disques où se forment des planètes avec une netteté sans précédent, à des échelles comparables à celle de notre système solaire. Il a également permis d’établir un lien entre leur composition chimique et celle des systèmes cométaires et exoplanétaires, suggérant que les molécules, qui n’ont pas subi de modification significative au cours de leur voyage vers les disques et les comètes, provenaient de la nébuleuse pré-solaire. Un triptyque intégré d’observations, de modélisations et d’expériences en laboratoire Le lancement de CHEMPLAN a coïncidé avec celui d’ALMA, un réseau de 54 télescopes installés sur un plateau en haute altitude au Chili. ALMA s’est révélé particulièrement bien adapté pour la recherche de molécules dans les régions de formation stellaire proches. Il a également permis de passer rapidement en revue un grand nombre de disques afin de déterminer leur structure et leur potentiel en termes de formation de nouvelles planètes. «ALMA n’a besoin que d’une minute pour faire ce qui prenait une nuit entière avec un réseau pré-ALMA. Chaque fois qu’un nouveau jeu de données ALMA est livré, c’est comme si on déballait un paquet cadeau», déclare la professeure Ewine van Dishoeck, coordinatrice du projet CHEMPLAN. Pour analyser les données ALMA, CHEMPLAN avait besoin de modèles de cinétique chimique et d’expériences en laboratoire pour étudier les réactions chimiques de base des glaces dans des conditions semblables à celles rencontrées dans l’espace. En ce qui concerne la modélisation, la survie des molécules lors du passage des nuages aux disques, ainsi que les modifications chimiques se produisant ultérieurement dans le disque, ont été quantifiées. L’équipe a par exemple montré comment les ratios C/O et C/N (rapports globaux carbone/oxygène et carbone/azote) dépendaient de paramètres physiques tels que la température et le taux d’ionisation. En outre, la chimie des disques a ensuite été couplée à des modèles de formation des planètes qui ont montré l’importance de l’accumulation des gaz par rapport aux glaces lors de l’établissement des rapports C/O dans les atmosphères exoplanétaires. Les expériences de laboratoire se sont avérées importantes pour expliquer la détection par ALMA de molécules organiques complexes, comme les sucres et les amides, dans un disque jeune entourant une étoile de type solaire en formation, ainsi que leurs modes de formation dans les glaces. La première détection d’un piège à poussière dans un disque circumstellaire, site de la future formation d’un planétésimal, a constitué un autre résultat majeur. «Ces découvertes suggèrent que la formation des planètes commence à un stade plus précoce qu’on ne le pensait jusqu’ici, et que l’eau et les molécules pré-biotiques sont déjà présentes en abondance. Ces deux résultats nous aident à essayer de répondre aux questions les plus fondamentales: “d’où venons-nous?” et “pourrait-il y avoir de la vie ailleurs dans l’univers?”», déclare la professeure van Dishoeck. Pour faire avancer les travaux, l’équipe entreprendra des campagnes d’observations spectrales ALMA plus nombreuses et plus approfondies consacrées aux jeunes disques, afin d’étudier la prévalence des résultats actuels obtenus seulement sur une poignée de systèmes. En outre, elle fera le lien entre les observations du télescope spatial James Webb sur les régions internes des disques protoplanétaires et celles effectuées sur le disque externe, ainsi qu’avec les compositions des atmosphères exoplanétaires. Les chercheurs continueront également à affiner les données moléculaires sous-jacentes nécessaires à la compréhension de la transition chimique entre les nuages et les disques.
Mots‑clés
CHEMPLAN, ALMA, interstellaire, univers, molécule, astronomie, proto-étoiles, système solaire, planètes, étoiles, comètes, exoplanètes, espace