Le télescope spatial Webb explorera la formation des systèmes planétaires

Comment déterminez-vous le stade auquel ils se trouvent, ou sont-ils classés ? Le meilleur moyen est d’examiner de nombreux exemples et de continuer à enrichir les données dont nous disposons. Le prochain télescope spatial James Webb de la NASA sera en mesure de fournir l’inventaire infrarouge.

Les chercheurs qui utilisent Webb surveilleront 17 systèmes planétaires actifs. Ces systèmes cartographiés ont été précédemment évalués par le Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), le plus grand radiotélescope du monde, dans le cadre du projet DSHARP (Disk-based infrastructures for High Angular Resolution Project).

Le télescope spatial Webb explorera la formation des systèmes planétaires

Il faut des millions d’années pour que des systèmes planétaires se forment, ce qui place les astronomes devant un défi de taille.

Webb mesurera des spectres qui pourront révéler les molécules dans les régions internes de ces disques protoplanétaires, complétant ainsi les détails fournis par ALMA sur les régions externes des disques. C’est dans ces régions intérieures que des planètes rocheuses semblables à la Terre pourraient commencer à se former. C’est l’une des raisons pour lesquelles nous voulons en savoir plus sur les molécules existantes.

Une équipe de recherche dirigée par Colette Salk du Vassar College de Poughkeepsie, dans l’État de New York, et Klaus Pontopedan du Space Telescope Science Institute de Baltimore, dans le Maryland, recherche des détails dans la lumière infrarouge. « Une fois que nous serons passés à la lumière infrarouge, plus précisément à la bande Webb dans l’infrarouge moyen, nous serons sensibles aux molécules les plus abondantes portant les éléments communs », a expliqué M. Pontopedan.

Les chercheurs seront en mesure d’évaluer les quantités d’eau, de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone, de méthane et d’ammoniac, parmi de nombreuses autres molécules, dans chaque comprimé. Surtout, ils seront capables de compter les molécules qui contiennent les éléments essentiels de la vie telle que nous la connaissons, notamment l’oxygène, le carbone et l’azote.

Comment faire ? En utilisant la spectroscopie : Webb capture toute la lumière émise au centre de chaque disque protoplanétaire sous forme de spectre, ce qui produit un modèle détaillé de couleurs basé sur les longueurs d’onde de la lumière émise.

Comme chaque molécule imprime un motif unique sur le spectre, les chercheurs peuvent identifier les molécules présentes et dresser des inventaires du contenu de chaque disque protoplanétaire. La force de ces motifs porte également des informations sur la température et la quantité de chaque molécule.

« Les données de Webb nous aideront également à déterminer où se trouvent les molécules dans le système global », a déclaré M. Salk. « Si c’est chaud, ça veut dire que c’est plus proche de l’étoile. Si c’est plus frais, ça pourrait être plus loin. » Ces informations spatiales contribueront à alimenter les modèles que les scientifiques construisent en continuant à examiner les données de ce programme.

Savoir ce qu’il y a à l’intérieur des disques présente également d’autres avantages : l’eau, par exemple, a-t-elle atteint cette région, où des planètes habitables pourraient se former ? L’une des choses vraiment étonnantes à propos des planètes : il suffit de changer un peu la chimie pour obtenir des mondes radicalement différents », a poursuivi Salk. « C’est pourquoi nous nous intéressons à la chimie.

Nous essayons de comprendre comment des matériaux qui se trouvaient initialement dans un système peuvent se retrouver sous la forme de différents types de planètes. »

Si cela vous semble être une lourde tâche, ne vous inquiétez pas, il s’agira d’un effort communautaire. Il s’agit de Webb Treasury, ce qui signifie que les données sont publiées dès qu’elles sont transmises à tous les astronomes, ce qui permet à chacun d’extraire immédiatement les données, de commencer à évaluer ce que contient chaque ajustement et de partager ses conclusions.

« Les données infrarouges de Webb seront étudiées de manière plus intensive », a ajouté le co-auteur Ke Zhang de l’Université de Wisconsin-Madison. « Nous voulons que l’ensemble de la communauté des chercheurs puisse travailler avec les données sous différents angles ».

Les chercheurs utiliseront le télescope spatial James Webb de la NASA pour étudier 17 des 20 disques protoplanétaires proches détectés par le grand réseau millimétrique/submillimétrique d’Atacama (ALMA) au Chili en 2018 pour le projet DSHARP (Disk Core Structures at High Angular Resolution Project).

ALMA a fourni d’excellentes données sur les disques extérieurs, mais Webb détaillera les disques intérieurs en reliant les spectres, qui diffusent la lumière en arc-en-ciel, révélant la composition chimique de chaque objet. Crédits : ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), S. Andrews et al ; N. Lira

Pourquoi un regard plus attentif ?

Voyons à nouveau la forêt pour les arbres. Imaginez que vous êtes sur un bateau de recherche au large des côtes d’une région éloignée. Il s’agit de la plus grande largeur. Si vous descendez encore et encore, vous pouvez commencer à compter combien d’arbres il y a et combien de types de chaque arbre.

Vous pouvez commencer par identifier des insectes et des oiseaux spécifiques et faire correspondre les sons que vous entendez à l’extérieur avec les cris que vous entendez sous la cime des arbres. Ce catalogage détaillé ressemble beaucoup à ce que Webb permettrait aux chercheurs de faire, mais en remplaçant les arbres et les animaux par des éléments chimiques.

Les disques protoplanétaires de ce programme sont très brillants et relativement proches de la Terre, ce qui en fait d’excellentes cibles d’étude. C’est pourquoi ils ont été étudiés par ALMA. C’est aussi pourquoi les chercheurs du télescope spatial Spitzer de la NASA l’étudient.

Ces éléments n’ont été étudiés en profondeur que depuis 2003, il s’agit donc d’un domaine de recherche relativement récent. Il y a beaucoup de choses que Webb peut ajouter à ce que nous savons.

L’instrument MIRI (Mid-Infrared Instrument) du télescope offre plusieurs avantages. La position de Webb dans l’espace signifie qu’il peut capturer toute la gamme de la lumière infrarouge moyenne (l’atmosphère terrestre filtre la lumière). En outre, ses données seront à haute résolution, révélant davantage de lignes et d’oscillations dans les spectres que les chercheurs pourront utiliser pour extraire des molécules spécifiques.

Les chercheurs ont également été sélectifs quant aux types d’étoiles choisies pour ces observations. Cet échantillon comprend des étoiles dont la masse varie entre environ la moitié de celle du Soleil et environ le double de celle-ci.

Pourquoi ? L’objectif est d’aider les chercheurs à en savoir plus sur les systèmes qui auraient pu être semblables au nôtre lors de leur formation. « Avec cet échantillon, nous pouvons commencer à déterminer s’il existe des points communs entre les caractéristiques des disques et leur chimie interne », poursuit Zhang. « En fin de compte, nous voulons être en mesure de prédire les types de systèmes qui sont les plus susceptibles de générer des planètes habitables ».

Commencez à répondre aux grandes questions

Ce programme peut également aider les chercheurs à commencer à répondre à certaines questions classiques : les formes prises par certains des éléments les plus abondants trouvés dans les disques protoplanétaires, tels que le carbone, l’azote et l’oxygène, sont-elles « héritées » des nuages interstellaires qui les forment ?

Ou le mélange exact de produits chimiques change-t-il avec le temps ? « Nous pensons pouvoir obtenir certaines de ces réponses en faisant des inventaires à l’aide du web », a expliqué Mme Pontopedan. « Il est évident qu’il y a une énorme quantité de travail à faire, et cela ne peut pas être fait avec ces seules données, mais je pense que nous allons faire des progrès significatifs. »

En pensant plus largement aux spectres incroyablement riches que Webb fournira, Salk a ajouté : « J’espère que nous verrons des choses qui nous surprendront et que nous commencerons à étudier ces découvertes fortuites. »

Ces recherches seront menées dans le cadre des programmes d’observateurs généraux (GO) du Webb, qui sont sélectionnés de manière concurrentielle à l’aide d’un système de double examen anonyme, le même système que celui utilisé pour allouer du temps sur le télescope spatial Hubble.

Le télescope spatial James Webb sera le premier observatoire de sciences spatiales au monde lorsqu’il sera lancé en 2021. Webb résoudra les mystères de notre système solaire, verra au-delà des mondes lointains autour d’autres étoiles et explorera les structures et origines mystérieuses de l’univers et la place que nous y occupons.

Webb est un programme international dirigé par la NASA avec ses partenaires l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’Agence spatiale canadienne.