Le télescope spatial James Webb de la NASA. Crédit : Laboratoire d’images conceptuelles du Goddard Space Flight Center de la NASA
Les chercheurs observeront plus d’une douzaine de systèmes protoplanétaires pour recueillir des données sur leurs disques internes – où des planètes semblables à la Terre pourraient se former
À quoi ressemblait notre système solaire tel qu’il se formait il y a des milliards d’années ? Au fil du temps, les particules se sont heurtées, créant des roches de plus en plus grosses. Finalement, ces roches sont devenues assez grosses pour former des planètes. Nous avons une compréhension de base de la formation des planètes, mais nous ne connaissons pas les détails – en particulier les détails sur la composition chimique initiale du système solaire, et comment elle a pu changer avec le temps. Et comment l’eau est-elle arrivée sur Terre ? Bien que nous ne puissions pas voyager dans le temps pour obtenir les réponses, nous pouvons détailler comment d’autres systèmes planétaires se forment en ce moment – et apprendre beaucoup de choses. Les chercheurs entraîneront l’un des puissants instruments de Webb sur les régions internes de 17 systèmes planétaires brillants et en formation active pour commencer à dresser un inventaire de leur contenu. Élément par élément, ils – ainsi que des chercheurs du monde entier – seront en mesure de découvrir ce qui est présent et comment la composition chimique des disques affecte leur contenu, y compris les planètes qui peuvent se former.
Les chercheurs utiliseront le télescope spatial James Webb de la NASA pour étudier 17 des 20 disques protoplanétaires à proximité observés par le réseau chilien Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en 2018 pour son projet de sous-structures de disque à haute résolution angulaire (DSHARP). ALMA a fourni d’excellentes données sur les disques externes, mais Webb détaillera les disques internes en fournissant des spectres, qui diffusent la lumière en un arc-en-ciel, révélant les compositions chimiques de chaque objet. Crédit : ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al. ; N. Lire
Les systèmes planétaires mettent des millions d’années à se former, ce qui présente tout un défi pour les astronomes. Comment identifiez-vous à quelle étape ils se trouvent ou les catégorisez-vous ? La meilleure approche consiste à examiner de nombreux exemples et à continuer d’ajouter aux données dont nous disposons – et Nasaest à venir Télescope spatial James Webb sera en mesure de fournir un inventaire infrarouge. Les chercheurs utilisant Webb observeront 17 systèmes planétaires en formation active. Ces systèmes particuliers ont déjà été étudiés par le réseau Atacama Large Millimeter/submillimeter (ALMA), le plus grand radiotélescope au monde, pour le projet de sous-structures de disque à haute résolution angulaire (DSHARP).
Webb mesurera les spectres qui peuvent révéler des molécules dans les régions internes de ces disques protoplanétaires, complétant les détails fournis par ALMA sur les régions externes des disques. Ces régions intérieures sont l’endroit où des planètes rocheuses semblables à la Terre peuvent commencer à se former, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles nous voulons en savoir plus sur les molécules qui y existent.
Une équipe de recherche dirigée par Colette Salyk du Vassar College à Poughkeepsie, New York, et Klaus Pontoppidan du Space Telescope Science Institute à Baltimore, Maryland, cherche les détails trouvés dans la lumière infrarouge. “Une fois que vous passerez à la lumière infrarouge, en particulier à la gamme de Webb dans la lumière infrarouge moyenne, nous serons sensibles aux molécules les plus abondantes qui portent des éléments communs”, a expliqué Pontoppidan.
Les chercheurs pourront 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 disque. De manière critique, ils seront capables de compter les molécules qui contiennent des éléments essentiels à la vie telle que nous la connaissons, notamment l’oxygène, le carbone et l’azote. Comment? Avec la spectroscopie : Webb capturera toute la lumière émise au centre de chaque disque protoplanétaire sous forme de spectre, ce qui produira un motif détaillé de couleurs basé sur les longueurs d’onde de la lumière émise. Étant donné que 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 contient également des informations sur la température et la quantité de chaque molécule.
« Les données de Webb nous aideront également à identifier où les molécules font partie du système global », a déclaré Salyk. « S’ils sont chauds, cela implique qu’ils sont plus proches de l’étoile. S’ils sont plus frais, ils peuvent être plus éloignés. Ces informations spatiales aideront à éclairer les modèles que les scientifiques construisent alors qu’ils continuent d’examiner les données de ce programme.
L’instrument à infrarouge moyen (MIRI) du télescope spatial James Webb fournira des informations incroyablement riches sur les molécules présentes dans les disques internes des systèmes planétaires encore en formation (appelés disques protoplanétaires). Ce spectre simulé, qui produit un motif de couleurs détaillé basé sur les longueurs d’onde de la lumière émise, aide les chercheurs à dresser l’inventaire de chaque molécule. Ce spectre montre combien de gaz comme le méthane, l’ammoniac et le dioxyde de carbone existent. La plupart des éléments non identifiés sont de l’eau. Étant donné que les spectres regorgent de détails, ils aideront les astronomes à tirer des conclusions sur le contenu du système au fur et à mesure que les planètes se forment. Crédit : NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)
Savoir ce qu’il y a dans les régions internes des disques présente également d’autres avantages. L’eau, par exemple, a-t-elle atteint cette zone, où des planètes habitables pourraient se former ? “L’une des choses qui est vraiment incroyable à propos des planètes – changez un peu la chimie et vous pouvez obtenir ces mondes radicalement différents”, a poursuivi Salyk. « C’est pourquoi nous nous intéressons à la chimie. Nous essayons de comprendre comment les matériaux initialement trouvés dans un système peuvent se transformer en différents types de planètes. »
Si cela semble être une entreprise importante, ne vous inquiétez pas, ce sera un effort communautaire. Il s’agit d’un programme Webb Treasury, ce qui signifie que les données sont diffusées dès qu’elles sont transmises à tous les astronomes, permettant à chacun d’extraire immédiatement les données, de commencer à évaluer ce qu’il y a dans chaque disque et de partager leurs découvertes.
“Les données infrarouges de Webb seront étudiées de manière intensive”, a ajouté le co-investigateur Ke Zhang de l’Université du Wisconsin-Madison. « Nous voulons que l’ensemble de la communauté des chercheurs puisse aborder les données sous différents angles. »
Pourquoi l’examen de près ?
Prenons du recul, pour voir la forêt pour les arbres. Imaginez que vous êtes sur un bateau de recherche au large des côtes d’un terrain lointain. C’est la vision la plus large. Si vous deviez atterrir et débarquer, vous pourriez commencer à compter combien d’arbres il y a et combien de chaque espèce d’arbre. Vous pouvez commencer à identifier des insectes et des oiseaux spécifiques et faire correspondre les sons que vous avez entendus au large aux appels que vous entendez sous la cime des arbres. Ce catalogage détaillé est très similaire à ce que Webb permettra aux chercheurs de faire – mais échanger des arbres et des animaux contre 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 à étudier. C’est pourquoi ils ont été interrogés par ALMA. C’est aussi pourquoi les chercheurs les ont étudiés avec le télescope spatial Spitzer de la NASA. Ces objets n’ont été étudiés en profondeur que depuis 2003, ce qui en fait un domaine de recherche relativement récent. Il y a beaucoup de choses que Webb peut ajouter à ce que nous savons.
L’instrument à infrarouge moyen (MIRI) du télescope offre de nombreux avantages. L’emplacement de Webb dans l’espace signifie qu’il peut capturer toute la gamme de la lumière infrarouge moyenne (l’atmosphère terrestre la filtre). De plus, ses données auront une haute résolution, ce qui révélera beaucoup plus de lignes et de mouvements dans les spectres que les chercheurs pourront utiliser pour identifier des molécules spécifiques.
Les chercheurs ont également été sélectifs sur les types d’étoiles choisis pour ces observations. Cet échantillon comprend des étoiles qui sont environ la moitié de la masse du Soleil à environ deux fois la masse du Soleil. Pourquoi? L’objectif est d’aider les chercheurs à en apprendre davantage sur les systèmes qui pourraient ressembler au nôtre au fur et à mesure de leur formation. “Avec cet échantillon, nous pouvons commencer à déterminer s’il existe des caractéristiques communes entre les propriétés des disques et leur chimie interne”, a poursuivi Zhang. « À terme, nous voulons être en mesure de prédire quels types de systèmes sont les plus susceptibles de générer des planètes habitables. »
Commencer 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, comme le carbone, l’azote et l’oxygène, sont-elles « héritées » des nuages interstellaires qui les ont formés ? Ou le mélange précis de produits chimiques change-t-il avec le temps ? “Nous pensons que nous pouvons obtenir certaines de ces réponses en faisant des inventaires avec Webb”, a expliqué Pontoppidan. “C’est évidemment une énorme quantité de travail à faire – et ne peut pas être fait uniquement avec ces données – mais je pense que nous allons faire des progrès majeurs.”
En pensant encore plus largement aux spectres incroyablement riches que Webb fournira, Salyk a ajouté: “J’espère que nous verrons des choses qui nous surprendront et commencerons ensuite à étudier ces découvertes fortuites.”
Cette recherche sera menée dans le cadre des programmes Webb General Observer (GO), qui sont sélectionnés de manière compétitive à l’aide d’un système d’examen à double anonymat, le même système qui est utilisé pour allouer du temps sur le Le télescope spatial Hubble.
Le télescope spatial James Webb sera le premier observatoire mondial des sciences spatiales lors de son lancement en 2021. Webb résoudra les mystères de notre système solaire, regardera au-delà des mondes lointains autour d’autres étoiles et sondera les structures et les origines mystérieuses de notre univers et de notre place dedans. Webb est un programme international mené par la NASA avec ses partenaires, l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’Agence spatiale canadienne.
