Ce concept d’artiste représente l’étoile PDS 70 et son disque protoplanétaire interne. De nouvelles mesures effectuées par le télescope spatial James Webb de la NASA ont permis de détecter de la vapeur d’eau à des distances inférieures à 100 millions de kilomètres de l’étoile, c’est-à-dire dans la région où des planètes terrestres rocheuses pourraient se former. Il s’agit de la première détection d’eau dans la région terrestre d’un disque déjà connu pour abriter deux ou plusieurs protoplanètes, dont l’une est représentée en haut à droite. Crédit : NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
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Cette découverte montre qu’un réservoir d’eau est disponible pour les planètes terrestres qui pourraient s’y regrouper.
De l’eau, de l’eau, partout – pas en gouttes, mais en vapeur. Des scientifiques utilisant le télescope spatial James Webb de la NASA ont découvert que les planètes assoiffées du système PDS 70 ont accès à un réservoir d’eau. Fait important, la vapeur d’eau a été trouvée à moins de 100 millions de kilomètres de l’étoile – la région où des planètes terrestres comme la Terre pourraient être en train de se former. (La Terre orbite à 93 millions de kilomètres de notre Soleil).
PDS 70 est plus froid que notre Soleil et son âge est estimé à 5,4 millions d’années. Il abrite deux planètes géantes gazeuses connues, dont l’une au moins continue d’accréter de la matière et de croître. Il s’agit de la première détection d’eau dans la région terrestre d’un disque déjà connu pour abriter deux protoplanètes ou plus.
Un spectre du disque protoplanétaire de PDS 70, obtenu avec l’instrument MIRI (Mid-Infrared Instrument) de Webb, montre un certain nombre de raies d’émission de la vapeur d’eau. Les scientifiques ont déterminé que l’eau se trouve dans le disque interne du système, à des distances inférieures à 100 millions de kilomètres de l’étoile – la région où des planètes rocheuses et terrestres pourraient être en train de se former. Crédit : NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
Le télescope spatial Webb détecte de la vapeur d’eau dans la zone de formation des planètes rocheuses
L’eau est essentielle à la vie telle que nous la connaissons. Cependant, la manière dont l’eau a atteint la Terre et la question de savoir si les mêmes processus pourraient ensemencer des exoplanètes rocheuses en orbite autour d’étoiles lointaines restent des sujets de débat scientifique. Ces débats pourraient bénéficier de nouvelles connaissances sur le système planétaire PDS 70, situé à 370 années-lumière. Ce système stellaire comprend un disque interne et un disque externe de gaz et de poussière, séparés par un espace de 8 milliards de kilomètres. Deux planètes géantes gazeuses connues se trouvent à l’intérieur de cet espace.
De nouvelles données recueillies par l’instrument MIRI (Mid-Infrared Instrument) du télescope spatial James Webb de la NASA ont permis de détecter de la vapeur d’eau dans le disque interne du système, à des distances inférieures à 160 millions de kilomètres de l’étoile – la région où des planètes terrestres rocheuses pourraient être en train de se former. (C’est la première fois que de l’eau est détectée dans la région terrestre d’un disque dont il est déjà confirmé qu’il abrite au moins deux protoplanètes.
« Nous avons vu de l’eau dans d’autres disques, mais pas aussi près et dans un système où des planètes sont en train de s’assembler. Nous ne pouvions pas effectuer ce type de mesures avant Webb », a déclaré l’auteur principal Giulia Perotti de l’Institut Max Planck d’astronomie (MPIA) à Heidelberg, en Allemagne.
« Cette découverte est extrêmement passionnante, car elle sonde la région où les planètes rocheuses similaires à la Terre se forment généralement », a ajouté Thomas Henning, directeur du MPIA et co-auteur de l’article. Henning est co-responsable de l’instrument MIRI (Mid-Infrared Instrument) de Webb, qui a permis la détection, et responsable du programme MINDS (MIRI Mid-Infrared Disk Survey) qui a recueilli les données.
Un environnement vaporeux pour la formation de planètes
PDS 70 est une étoile de type K, plus froide que notre Soleil, dont l’âge est estimé à 5,4 millions d’années. C’est un âge relativement élevé par rapport aux étoiles ayant un disque de formation de planètes, ce qui a rendu la découverte de vapeur d’eau surprenante.
Au fil du temps, le contenu en gaz et en poussières des disques de formation de planètes diminue. Soit le rayonnement et les vents de l’étoile centrale chassent ces matériaux, soit les poussières se transforment en objets plus gros qui finissent par former des planètes. Des études antérieures n’ayant pas permis de détecter de l’eau dans les régions centrales de disques de même âge, les astronomes ont soupçonné que l’eau ne survivrait pas au rayonnement stellaire intense, ce qui créerait un environnement aride pour la formation de planètes rocheuses.
Les astronomes n’ont pas encore détecté de planètes en formation dans le disque interne de PDS 70. Cependant, ils ont trouvé les matières premières nécessaires à la construction de mondes rocheux sous la forme de silicates. La détection de vapeur d’eau implique que si des planètes rocheuses se forment à cet endroit, elles auront de l’eau à leur disposition dès le début.
« Nous trouvons une quantité relativement élevée de petits grains de poussière. Combiné à notre détection de vapeur d’eau, le disque interne est un endroit très excitant », a déclaré le co-auteur Rens Waters de l’Université Radboud aux Pays-Bas.
Quelle est l’origine de l’eau ?
Cette découverte soulève la question de l’origine de l’eau. L’équipe MINDS a envisagé deux scénarios différents pour expliquer sa découverte.
La première possibilité est que les molécules d’eau se forment sur place, là où nous les détectons, lorsque les atomes d’hydrogène et d’oxygène se combinent. Une deuxième possibilité est que les particules de poussière recouvertes de glace sont transportées du disque externe froid vers le disque interne chaud, où la glace d’eau se sublime et se transforme en vapeur. Un tel système de transport serait surprenant, car les poussières devraient traverser le grand espace creusé par les deux planètes géantes.
Une autre question soulevée par cette découverte est de savoir comment l’eau peut survivre si près de l’étoile, alors que la lumière ultraviolette de l’étoile devrait briser toutes les molécules d’eau. Il est très probable que les matériaux environnants, tels que la poussière et d’autres molécules d’eau, servent de bouclier protecteur. Par conséquent, l’eau détectée dans le disque interne de PDS 70 pourrait survivre à la destruction.
Enfin, l’équipe utilisera deux autres instruments de Webb, NIRCam (Near-Infrared Camera) et NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) pour étudier le système PDS 70 afin de mieux le comprendre.
Ces observations ont été réalisées dans le cadre du programme d’observation en temps garanti 1282. Cette découverte a été publiée dans la revue Nature.
Référence : « Water in the terrestrial planet-forming zone of the PDS 70 disk » par G. Perotti, V. Christiaens, Th. Henning, B. Tabone, L. B. F. M. Waters, I. Kamp, G. Olofsson, S. L. Grant, D. Gasman, J. Bouwman, M. Samland, R. Franceschi, E. F. van Dishoeck, K. Schwarz, M. Güdel, P.-O. Lagage, T. P. Ray, B. Vandenbussche, A. Abergel, O. Absil, A. M. Arabhavi, I. Argyriou, D. Barrado, A. Boccaletti, A. Caratti o Garatti, V. Geers, A. M. Glauser, K. Justannont, F. Lahuis, M. Mueller, C. Nehmé, E. Pantin, S. Scheithauer, C. Waelkens, R. Guadarrama, H. Jang, J. Kanwar, M. Morales-Calderón, N. Pawellek, D. Rodgers-Lee, J. Schreiber, L. Colina, T. R. Greve, G. Östlin et G. Wright, 24 juillet 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06317-9
Le télescope spatial James Webb est le premier observatoire de sciences spatiales au monde. Webb résout les mystères de notre système solaire, regarde au-delà vers des mondes lointains autour d’autres étoiles, et sonde les structures mystérieuses et les origines de notre univers et de la place que nous y occupons. Webb est un programme international dirigé par la NASA et ses partenaires, l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’Agence spatiale canadienne.