Images ALMA des disques protoplanétaires autour des jeunes étoiles AS 209 et HD 163296. Différentes molécules ont des distributions différentes. Crédit : ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Cataldi et al./Aikawa et al.
Une équipe de recherche internationale utilisant l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) a révélé la distribution de l’hydrogène lourd, ou deutérium, dans les sites de formation de planètes avec la résolution la plus élevée jamais atteinte. Cela fournit des indices pour comprendre les conditions physiques et chimiques lors de la formation des exoplanètes et des objets du système solaire.
“Les différents corps de notre système solaire ont une variété de compositions chimiques”, explique Yuri Aikawa, professeur à l’Université de Tokyo. « Cette variété pourrait être due à des différences dans la composition chimique et l’état physique de leurs sites de formation. Révéler la variation chimique au sein des disques formant les planètes est donc fondamental pour l’étude de la formation des planètes.
Les disques protoplanétaires autour des jeunes étoiles contiennent une variété de molécules, dont chacune émet des ondes radio de longueurs d’onde spécifiques. Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé la superbe résolution et la sensibilité d’ALMA pour comprendre les conditions physiques et chimiques des disques formant des planètes.
Cette image des données ALMA de la jeune étoile HD 163296 montre une émission de cyanure d’hydrogène. Le projet MAPS s’est concentré sur le cyanure d’hydrogène et d’autres composés organiques et inorganiques dans les disques formant des planètes pour mieux comprendre les compositions des jeunes planètes et comment les compositions sont liées à l’endroit où les planètes se forment dans un disque protoplanétaire. Crédit : ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/D. Berry (NRAO), K. Öberg et al (MAPS)
Gianni Cataldi, post-doctorant à l’Université de Tokyo et à l’Observatoire national d’astronomie du Japon, et son équipe se sont concentrés sur le deutérium, le frère lourd de l’hydrogène, dans les disques protoplanétaires. Bien qu’il n’y ait qu’un seul deutérium atome pour 100 000 atomes d’hydrogène, on sait que le rapport est plus élevé dans certaines molécules. Cet enrichissement en deutérium peut être utilisé comme empreinte pour déduire où un objet a été formé dans un disque.
L’équipe a analysé les données ALMA et mesuré la distribution spatiale du rapport d’abondance du deutérium dans les disques protoplanétaires. Ils ont découvert que les rapports d’abondance du deutérium différaient d’un facteur d’environ 100 entre les différents emplacements d’un même disque, les rapports d’abondance devenant plus petits plus près de l’étoile centrale.
« Deux réactions majeures seraient responsables de l’enrichissement en deutérium ; l’un est actif dans les régions à très basse température et l’autre reste efficace même dans les régions relativement chaudes. Nos observations montrent que les deux jouent un rôle important dans les disques », explique Cataldi.
La comparaison des rapports d’abondance de deutérium observés dans les disques protoplanétaires avec ceux des objets du système solaire peut fournir des informations sur l’origine des objets. Par exemple, le rapport d’abondance de deutérium dans les molécules de HCN a été mesuré pour la comète Hale-Bopp, qui s’est approchée du Soleil vers 1997 et pouvait être vue brillamment depuis la Terre. La valeur pour la comète Hale-Bopp était plus petite que celle mesurée dans les disques protoplanétaires cette fois.
“Cela peut suggérer que la comète Hale-Bopp s’est formée dans la partie interne du disque, à proximité du jeune Soleil (à moins de 30 au)”, explique Yoshihide Yamato, étudiant diplômé de l’Université de Tokyo et co-auteur de la recherche. papier. “Une autre possibilité est que les molécules de HCN dans la comète proviennent de glaces qui se sont condensées du nuage de gaz à un stade beaucoup plus précoce de la formation du disque, et n’ont pas été affectées par l’enrichissement en deutérium dans le disque.”
Ces observations font partie d’un grand programme ALMA, « Molecules with ALMA at Planet-forming Scales », ou MAPS, pour détecter les ondes radio émises par les molécules dans les disques protoplanétaires à haute résolution spatiale. Dans ce programme, les chercheurs ont observé des disques protoplanétaires autour de cinq jeunes étoiles, IM Lupi, GM Aurigae, AS 209, HD 163296 et MWC 480 avec ALMA pour déduire la distribution d’environ 20 molécules, y compris des molécules deutérées telles que DCN et N2ré+.
“Avec ALMA, nous avons pu voir comment les molécules sont distribuées là où les exoplanètes s’assemblent actuellement”, a déclaré Karin Öberg, astronome au Center for Astrophysics | Harvard et Smithsonian (CfA) et le chercheur principal pour MAPS. “L’une des choses vraiment excitantes que nous avons vues est que les disques formant des planètes autour de ces cinq jeunes étoiles sont des usines d’une classe spéciale de molécules organiques, appelées nitriles, qui sont impliquées dans les origines de la vie ici sur Terre.”
Les scientifiques ont également observé des molécules organiques complexes comme le HC3N, UNIQUEMENT3CN et cC3H2; notamment ceux-ci contiennent du carbone, et sont donc plus susceptibles d’agir comme matière première de molécules prébiotiques plus grosses. Bien que ces molécules aient déjà été détectées dans des disques protoplanétaires, MAPS est la première étude systématique sur plusieurs disques à très haute résolution spatiale et sensibilité, et la première étude à trouver les molécules en quantités aussi importantes à petite échelle. “Nous avons trouvé plus de grosses molécules organiques que prévu, un facteur de 10 à 100 de plus, situées dans les disques internes à l’échelle du système solaire, et leur chimie semble similaire à celle des comètes du système solaire”, a déclaré John Ilee, un astronome à l’Université de Leeds et auteur principal d’un article sur MAPS. « La présence de ces grosses molécules organiques est importante car elles sont le tremplin entre les molécules à base de carbone plus simples telles que le monoxyde de carbone, que l’on trouve en abondance dans l’espace, et les molécules plus complexes qui sont nécessaires pour créer et maintenir la vie. “
Dans la conception de cet artiste, les planètes se forment à partir du gaz et de la poussière du disque protoplanétaire entourant la jeune étoile. Le gaz est composé de nombreuses molécules différentes, dont du cyanure d’hydrogène et des nitriles plus complexes – liés au développement de la vie sur Terre – et d’autres composés organiques et inorganiques. Des simples composés organiques aux plus complexes, la soupe de molécules à un endroit particulier du disque façonne l’avenir de la planète qui s’y forme et détermine si cette planète pourrait ou non supporter la vie telle que nous la connaissons. Crédit : M.Weiss/Center for Astrophysics/Harvard & Smithsonian
Aikawa et l’équipe MAPS ont également révélé la distribution spatiale des molécules ionisées dans les disques. Ils ont découvert que les molécules ionisées sont moins abondantes dans la région à l’intérieur du rayon 100-au des disques. S’il est ionisé, le gaz dans le disque est plus sensible aux champs magnétiques, ce qui peut provoquer un écoulement de gaz ou, inversement, permettre au gaz de s’écouler dans l’étoile centrale, affectant considérablement la croissance des étoiles et des planètes. L’observation suggère également que le taux d’ionisation dans le plan médian du disque peut varier d’un objet à l’autre, ce qui indique que les conditions physiques des disques formant des planètes sont assez compliquées.
“Je crois que nous pouvons aborder le mystère du processus de formation de notre système solaire en combinant les observations de disques protoplanétaires à l’aide d’ALMA, les observations et l’analyse du matériel du système solaire et les prédictions basées sur la recherche théorique”, résume Aikawa.
Informations papier
Ces résultats d’observation sont présentés comme Gianni Cataldi et al. « Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) X: Studying deutation at high angulaire resolution to protoplanetary disks » et Yuri Aikawa et al. « Molécules avec ALMA à l’échelle de la formation de planètes (MAPS) XIII : HCO+ and disk ionization structure » et 18 autres articles dans le numéro spécial MAPS de la série de suppléments Astrophysical Journal.
Cette recherche a été soutenue par :
JSPS KAKENHI (No. 18H05222, 20H05844, 20H05847, 18H05441, JP17K14244 et JP20K04017), NAOJ ALMA Joint Scientific Research Program (2019-13B, 2018-10B), World-leader Innovative Graduate Study Program (WINGS) de l’Université de Tokyo, Nasa Bourse Hubble (HST-HF2-51401.001, HST-HF2-51419.001, HST-HF2-51427.001-A, HST-HF2-51429.001-A, HST-HF2-51405.001-A, HST-HF2-51460.001-A), NASA Subvention (n° 17-XRP17 2-0012), subvention NSF AAG (n° 1907653), FONDECYT Iniciación 11180904 et projet ANID Basal AFB-170002, NSF Graduate Research Fellowship under Grant n° DGE1745303, subvention de la Natural Science Foundation of China n° 11973090 , Fondation David et Lucille Packard et Johnson & Johnson’s WiSTEM2D Program, Science and Technology Facilities Council du Royaume-Uni (ST/T000287/1, ST/R000549/1, MR/T040726/1), bourse CNES, ANR de France sous contrats ANR-16-CE31-0013 et ANR-15-IDEX-02, Simons Foundation (SCOL #321183), Wisconsin Alumni Research Foundation et Smithsonian Institution.
L’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), une installation internationale d’astronomie, est un partenariat de l’Organisation européenne pour la recherche astronomique dans l’hémisphère sud (CETTE), la National Science Foundation (NSF) des États-Unis et les National Institutes of Natural Sciences (NINS) du Japon en coopération avec la République du Chili. ALMA est financé par l’ESO au nom de ses États membres, par la NSF en coopération avec le Conseil national de recherches du Canada (NRC) et le ministère de la Science et de la Technologie (MOST) et par le NINS en coopération avec l’Academia Sinica (AS) à Taïwan. et l’Institut coréen d’astronomie et des sciences spatiales (KASI).
La construction et l’exploitation d’ALMA sont dirigées par l’ESO au nom de ses États membres ; par le National Radio Astronomy Observatory (NRAO), géré par Associated Universities, Inc. (AUI), au nom de l’Amérique du Nord; et par l’Observatoire astronomique national du Japon (NAOJ) au nom de l’Asie de l’Est. L’Observatoire conjoint ALMA (JAO) assure la direction et la gestion unifiées de la construction, de la mise en service et de l’exploitation d’ALMA.
