Les astronomes aimeraient voir des planètes se former autour d’autres étoiles. Cela nous aiderait à mieux comprendre notre propre système solaire. Mais tout se passe derrière un voile de poussière obscurcissante. Le télescope spatial James Webb a le pouvoir de voir à travers le voile.
Une équipe d’astronomes a pointé le JWST vers la célèbre étoile Fomalhaut et son disque de débris poussiéreux. Ils ont trouvé plus de complexité qu’ils ne l’imaginaient, y compris des indices de planètes se formant parmi toute cette poussière et ces débris.
L’étoile Fomalhaut est assez connue, même si sa prononciation est vexante. C’est une jeune étoile proche de la constellation Piscis Austrinus, le “Poisson du Sud”. C’est une étoile de la séquence principale presque deux fois plus massive que le Soleil et à environ 25 années-lumière.
Le disque de débris de Fomalhaut est considéré comme archétypal sur la base des observations jusqu’à présent. Les astronomes ont étudié Fomalhaut avec d’autres télescopes comme Hubble et ALMA et ont observé le disque, mais pas avec des détails très satisfaisants. Pourtant, ces observations de Fomalhaut et d’autres disques de débris à proximité ont étoffé notre connaissance de la façon dont ces disques se forment et évoluent.
Mais il reste des questions sans réponse. Par exemple, les astronomes se demandent encore comment l’eau était distribuée lors de la formation de notre système solaire. Les observations d’autres systèmes et disques encore en formation pourraient-elles nous aider à répondre à cette question ?
Espérons qu’ils le puissent, mais nos observations précédentes manquaient de la puissance du JWST et ne nous montraient que les disques extérieurs, similaires à la ceinture de Kuiper dans notre système solaire. Les astronomes travaillant avec Hubble savaient-ils que leurs images du disque de Fomalhaut n’étaient qu’un avant-goût alléchant de ce que le JWST révélerait ?
Lorsque les astronomes ont pointé le JWST vers Fomalhaut et sa ceinture d’astéroïdes, ils ont été surpris par ce qu’ils ont vu. La ceinture a une structure plus complexe que prévu, et une partie de la complexité pourrait signaler la présence de planètes.
“Je pense que ce n’est pas un grand saut de dire qu’il y a probablement un système planétaire vraiment intéressant autour de l’étoile.”
George Rieke, chef d’équipe scientifique pour le MIRI du JWST
Les ceintures sont plus correctement appelées disques de débris et, à certains égards, sont similaires à la ceinture d’astéroïdes de notre système solaire. Les deux sont peuplés de débris laissés par les collisions et la formation du système solaire. C’est le premier disque de débris vu en dehors de notre système solaire, et les observations de Webb sont les premières images infrarouges du disque.
Hubble a été un bourreau de travail qui a changé l’histoire de l’astronomie, mais le Webb a été construit pour nous emmener plus loin, et dans ce cas, c’est le cas.
L’image JWST de Fomalhaut révèle plus de détails dans le disque, et plus de détails signifie une meilleure idée de ce qui se passe dans le jeune système solaire. Les puissants instruments infrarouges du télescope spatial ont capturé la lueur de la poussière dans les régions internes du disque, révélant la présence de plusieurs anneaux et d’autres caractéristiques, ce qui dépasse la puissance des autres télescopes.
Une équipe d’astronomes de l’Université de l’Arizona, du JPL, du Space Telescope Science Institute et d’autres institutions a présenté ces nouvelles images et résultats dans un article publié dans Nature Astronomy. Il s’intitule « Imagerie spatialement résolue du disque interne de Fomalhaut à l’aide de JWST/MIRI ». L’auteur principal est András Gáspár, professeur assistant de recherche au Steward Observatory de l’Université de l’Arizona.
“Je décrirais Fomalhaut comme l’archétype des disques de débris trouvés ailleurs dans notre galaxie car il a des composants similaires à ceux que nous avons dans notre propre système planétaire”, a déclaré l’auteur principal Gáspár. “En examinant les motifs de ces anneaux, nous pouvons en fait commencer à faire un petit croquis de ce à quoi un système planétaire devrait ressembler – si nous pouvions réellement prendre une image suffisamment profonde pour voir les planètes suspectes.”
Schuyler Wolff, également professeur adjoint de recherche à l’Observatoire Steward, est l’un des co-auteurs de l’article. «Là où Webb excelle vraiment, c’est que nous sommes capables de résoudre physiquement la lueur thermique de la poussière dans ces régions intérieures. Ainsi, vous pouvez voir des ceintures intérieures que nous n’aurions jamais pu voir auparavant », a-t-elle déclaré dans un communiqué de presse.
Des planètes invisibles et encore en formation se trouvent probablement derrière les multiples anneaux. Une ligne de pensée dit que lorsqu’une planète se forme, elle prend une orbite et balaie un espace dans la poussière. Ce sont les écarts révélateurs entre les anneaux dans l’image. ALMA a également imaginé ces lacunes dans de nombreux autres jeunes systèmes.
Même si le JWST est le nouveau télescope le plus puissant des boîtes à outils des astronomes, ses prédécesseurs y contribuent toujours. Chaque télescope est différent des autres, et les meilleurs résultats proviennent de l’observation avec plusieurs télescopes. Cela fournit une vue holistique au-delà de la capacité d’un seul télescope. C’est certainement vrai dans ce cas, où Hubble et ALMA peuvent voir les disques extérieurs plus froids mais pas la région intérieure plus chaude.
“Avec Hubble et ALMA, nous avons pu imager un tas d’analogues de la ceinture de Kuiper, et nous avons beaucoup appris sur la façon dont les disques externes se forment et évoluent”, a déclaré Wolff. “Mais nous avons besoin de Webb pour nous permettre d’imager une douzaine de ceintures d’astéroïdes ailleurs. Nous pouvons en apprendre autant sur les régions intérieures chaudes de ces disques que Hubble et ALMA nous en ont appris sur les régions extérieures plus froides.
“Nous ne nous attendions certainement pas à la structure plus complexe avec la deuxième ceinture intermédiaire, puis la ceinture d’astéroïdes plus large”, a ajouté Wolff. “Cette structure est très excitante car chaque fois qu’un astronome voit un espace et des anneaux dans un disque, il dit : ‘Il pourrait y avoir une planète intégrée façonnant les anneaux !'”
Des images Hubble antérieures de Fomalhaut montraient un amas poussiéreux qui suggérait la présence d’une planète, que les astronomes appelaient Fomalhaut b, suivant la convention de dénomination des planètes. À l’époque, certains pensaient qu’il s’agissait de la première exoplanète directement imagée. Mais cette conclusion a toujours été controversée, et d’autres pensaient que cela aurait pu être autre chose, comme une collision entre deux planétésimaux.
Les astronomes l’appellent le Great Dust Cloud (GDC), et des images de suivi ont montré que le GDC s’estompait et s’élargissait, indiquant qu’il s’agissait d’un nuage de poussière en expansion. Les observations du JWST versent également de l’eau froide sur l’explication de l’exoplanète. Les auteurs expliquent que le GDC aurait pu résulter d’une “collision catastrophique entre deux objets de 355 km de rayon à une vitesse de 360 ms”.-1.”
Alors que le GDC s’est peut-être avéré être un peu un mirage, il n’y a aucun doute sur les disques, les anneaux et les lacunes observés dans le système Fomalhaut. Les forces gravitationnelles des planètes invisibles peuvent créer ces lacunes de la même manière que Jupiter dirige les astéroïdes de notre système solaire. La puissante gravité de Jupiter maintient la ceinture d’astéroïdes contenue telle qu’elle est, et Neptune a un effet similaire, sculptant le bord intérieur de la ceinture de Kuiper.
L’un des thèmes scientifiques déclarés du JWST est de regarder à l’intérieur des systèmes solaires encore en formation pour en savoir plus sur le processus de formation des planètes. Le Webb imagera davantage de ces disques dans d’autres systèmes, et nous en apprendrons lentement plus sur la configuration des planètes dans les jeunes systèmes.
Mais pour l’instant, c’est encore un peu mystérieux.
George Rieke est le responsable scientifique américain du Mid-Infrared Instrument (MIRI) du JWST et co-auteur du nouvel article. Rieke compare la situation à un roman policier. “Les ceintures autour de Fomalhaut sont une sorte de roman policier : Où sont les planètes ?” demanda Rieke. “Je pense que ce n’est pas un grand saut de dire qu’il y a probablement un système planétaire vraiment intéressant autour de l’étoile.”
Même s’il y a un certain mystère impliqué, et même si le processus de formation des planètes n’est pas entièrement compris, il existe des similitudes intrigantes entre le système Fomalhaut et notre propre système solaire, ainsi que les disques d’autres systèmes. Les astronomes ont découvert que les disques de débris sont séparés en un disque interne plus chaud et un disque externe plus froid. Notre système solaire s’y conforme, avec la ceinture d’astéroïdes relativement chaude et la ceinture de Kuiper plus froide. Une troisième structure plus éloignée appelée le nuage d’Oort peut également exister.
Bien qu’il existe des similitudes marquées entre Fomalhaut et notre système solaire, il existe également des différences, en particulier en ce qui concerne le disque interne. “Nos observations montrent que le système de disque interne de Fomalhaut est assez différent de celui de notre propre système solaire”, indique le document. Notre ceinture principale d’astéroïdes est étroite et s’étend d’environ 2,1 unités astronomiques (UA) à 3,3 UA. Comme mentionné précédemment, le massif Jupiter joue un rôle en guidant la ceinture.
Mais la région intérieure de Fomalhaut abrite une disque étendu. Quelle disposition est la plus courante ? Une réponse à cette question en dira beaucoup aux astronomes sur la formation des systèmes solaires. Et un pourrait être à venir, grâce au JWST et à des recherches comme celle-ci. “Nos observations à venir du système Vega et Epsilon Eridani et d’autres observations JWST de disques de débris à proximité devraient aider à orienter les discussions sur ce sujet”, écrivent les auteurs.
Epsilon Eridani est connu pour avoir une structure de disque similaire à la ceinture de Kuiper. Il possède également deux autres ceintures : une ceinture d’astéroïdes intérieure et une extérieure. Le disque a une structure agglomérée, une indication que les planètes sont quelque part, taillant des anneaux et abritant des débris. L’exoplanète provisoire, Epsilon Eridani b, semble aider à façonner la ceinture intérieure en définissant la limite extérieure de cette ceinture. D’autres planètes proposées se trouvent aux limites intérieures et extérieures de la ceinture la plus externe d’Eridani, l’analogue de la ceinture de Kuiper.
Il semble certain que les puissantes capacités d’imagerie infrarouge du JWST nous en diront plus sur Epsilon Eridani. Mais ce travail est encore dans le futur. Pour l’instant, les chercheurs sont encore en train de digérer ce que Webb a révélé à propos de Fomalhaut.
Pour les auteurs de cet article, la ceinture intermédiaire de Fomalhaut était également une surprise. “Peut-être que notre résultat le plus intrigant est la détection d’une ceinture intermédiaire dans le système de Fomalhaut”, écrivent les auteurs. Sa largeur s’étend d’environ 7 à 20 UA. Comparez cela à notre système solaire, où la ceinture principale d’astéroïdes s’étend de 2 à 3,25 UA, et la ceinture de Kuiper s’étend d’environ 30 à 50 UA. La ceinture intermédiaire de Fomalhaut a une autre propriété étrange : son inclinaison est décalée entre les régions intérieure et extérieure.
Le système Fomalhaut est plein de surprises. L’un des aspects les plus intéressants de ces résultats est que les astronomes regardent Fomalhaut depuis longtemps, et avec chaque nouveau télescope, quelque chose de nouveau est révélé. C’est comme une étude de cas pour le progrès scientifique. Que découvriront ensuite les astronomes ?
À la fin de leur article, les auteurs résument l’impact des observations du JWST et comment elles étoffent notre compréhension de ce système fascinant.
“Les structures des ceintures de débris massifs, leurs décalages d’alignement et les indications d’événements de collision massifs (Fomalhaut b et le GDC) soulignent tous que l’étoile Fomalhaut, âgée de 440 Myr, est entourée d’un système planétaire complexe subissant des perturbations dynamiques.”
