L'un des sujets d'astrophysique actuellement les plus chauds - la chasse aux planètes semblables à la Terre autour d'autres étoiles - vient de recevoir une impulsion importante de nouvelles observations spectrales avec l'instrument MIDI à l'ESO VLT Interferometer (VLTI).
Une équipe internationale d'astronomes [2] a obtenu des spectres infrarouges uniques de la poussière dans les régions les plus intérieures des disques proto-planétaires autour de trois jeunes étoiles - maintenant dans un état peut-être très similaire à celui de notre système solaire en devenir, quelque 4 500 il y a des millions d'années.
Dans le numéro de cette semaine de la revue scientifique Nature, et grâce à la vue inégalée, nette et pénétrante de l'interférométrie, ils montrent que dans les trois, les bons ingrédients sont présents au bon endroit pour commencer la formation de planètes rocheuses à ces étoiles.
«Sable» dans les régions internes des disques stellaires
Le Soleil est né il y a environ 4500 millions d'années d'un nuage froid et massif de gaz interstellaire et de poussière qui s'est effondré sous sa propre attraction gravitationnelle. Un disque poussiéreux était présent autour de la jeune étoile, dans lequel la Terre et d'autres planètes, ainsi que des comètes et des astéroïdes se sont formés plus tard.
Cette époque est révolue depuis longtemps, mais nous pouvons encore assister à ce même processus en observant l'émission infrarouge de très jeunes étoiles et les disques protoplanétaires poussiéreux qui les entourent. Jusqu'à présent, cependant, l'instrumentation disponible n'a pas permis d'étudier la distribution des différents composants de la poussière dans ces disques; même les plus proches connus sont trop éloignés pour que les meilleurs télescopes simples puissent les résoudre. Mais maintenant, comme l'explique Francesco Paresce, scientifique de projet pour l'interféromètre VLT et membre de l'équipe de l'ESO, «avec le VLTI, nous pouvons combiner la lumière de deux grands télescopes bien séparés pour obtenir une résolution angulaire sans précédent. Cela nous a permis, pour la première fois, de regarder directement dans la région la plus intérieure des disques autour de jeunes étoiles proches, juste à l'endroit où nous nous attendons à ce que des planètes comme notre Terre se forment ou se forment bientôt ».
Plus précisément, de nouvelles observations interférométriques de trois jeunes étoiles par une équipe internationale [2], utilisant la puissance combinée de deux télescopes VLT de 8,2 m à une centaine de mètres l'un de l'autre, ont atteint une netteté d'image suffisante (environ 0,02 arcsec) pour mesurer l'émission infrarouge du région intérieure des disques autour de trois étoiles (correspondant approximativement à la taille de l'orbite terrestre autour du Soleil) et à l'émission de la partie extérieure de ces disques. Les spectres infrarouges correspondants ont fourni des informations cruciales sur la composition chimique de la poussière dans les disques ainsi que sur la taille moyenne des grains.
Ces observations pionnières montrent que la partie interne des disques est très riche en grains de silicate cristallin («sable») avec un diamètre moyen d'environ 0,001 mm. Ils sont formés par la coagulation de grains de poussière amorphes beaucoup plus petits qui étaient omniprésents dans le nuage interstellaire qui a donné naissance aux étoiles et à leurs disques.
Les calculs du modèle montrent que les grains cristallins devraient être abondamment présents dans la partie intérieure du disque au moment de la formation de la Terre. En fait, les météorites de notre propre système solaire sont principalement composées de ce type de silicate.
L'astronome néerlandais Rens Waters, membre de l'équipe de l'Institut astronomique de l'Université d'Amsterdam, est enthousiaste: «Avec tous les ingrédients en place et la formation de grains plus gros à partir de la poussière déjà commencée, la formation de plus en plus gros morceaux de pierre et , enfin, les planètes semblables à la Terre de ces disques sont presque inévitables! »
Transformer les grains
On sait depuis un certain temps que la majeure partie de la poussière dans les disques autour des étoiles nouveau-nées est constituée de silicates. Dans le nuage natal, cette poussière est amorphe, c'est-à-dire que les atomes et les molécules qui composent un grain de poussière sont assemblés de manière chaotique, et les grains sont duveteux et très petits, généralement d'environ 0,0001 mm. Cependant, près de la jeune étoile où la température et la densité sont les plus élevées, les particules de poussière dans le disque circumstellaire ont tendance à se coller de sorte que les grains deviennent plus gros. De plus, la poussière est chauffée par le rayonnement stellaire, ce qui amène les molécules des grains à se réorganiser selon des motifs géométriques (cristallins).
En conséquence, la poussière dans les régions du disque les plus proches de l'étoile est rapidement transformée de grains "immaculés" (petits et amorphes) en grains "traités" (plus gros et cristallins).
Les observations spectrales des grains de silicate dans la région de longueur d'onde infrarouge moyen (environ 10 µm) indiqueront s'ils sont «vierges» ou «traités». Des observations antérieures de disques autour de jeunes étoiles ont montré qu'un mélange de matériaux vierges et traités était présent, mais il était jusqu'à présent impossible de dire où résidaient les différents grains dans le disque.
Grâce à une augmentation de cent fois de la résolution angulaire avec le VLTI et l'instrument MIDI hautement sensible, les spectres infrarouges détaillés des différentes régions des disques protoplanétaires autour de trois étoiles nouveau-nés, vieux de quelques millions d'années seulement, montrent maintenant que la poussière proche de l'étoile est beaucoup plus traitée que la poussière dans les régions du disque externe. Dans deux étoiles (HD 144432 et HD 163296), la poussière dans le disque interne est assez traitée tandis que la poussière dans le disque externe est presque vierge. Dans la troisième étoile (HD 142527), la poussière est traitée dans tout le disque. Dans la région centrale de ce disque, il est extrêmement traité, compatible avec la poussière complètement cristalline.
Une conclusion importante des observations VLTI est donc que les blocs de construction pour les planètes semblables à la Terre sont présents dans les disques circumstellaires dès le début. Ceci est d'une grande importance car il indique que les planètes de type terrestre (rocheux) comme la Terre sont très probablement assez communes dans les systèmes planétaires, également en dehors du système solaire.
Les comètes immaculées
Les présentes observations ont également des implications pour l'étude des comètes. Certaines - peut-être toutes - les comètes du système solaire contiennent à la fois des poussières vierges (amorphes) et traitées (cristallines). Les comètes se sont certainement formées à de grandes distances du Soleil, dans les régions extérieures du système solaire où il a toujours été très froid. On ne sait donc pas comment les grains de poussière traités peuvent se retrouver dans les comètes.
Dans une théorie, la poussière traitée est transportée vers l'extérieur du jeune Soleil par la turbulence dans le disque circumsolaire plutôt dense. D'autres théories affirment que la poussière traitée dans les comètes a été produite localement dans les régions froides sur une période beaucoup plus longue, peut-être par des ondes de choc ou des éclairs dans le disque, ou par des collisions fréquentes entre des fragments plus gros.
L'équipe actuelle d'astronomes conclut maintenant que la première théorie est l'explication la plus probable de la présence de poussière traitée dans les comètes. Cela implique également que les comètes de longue période qui nous visitent parfois depuis les confins extérieurs de notre système solaire sont de véritables corps vierges, remontant à une époque où la Terre et les autres planètes n'étaient pas encore formées.
Les études de telles comètes, en particulier lorsqu'elles sont effectuées in situ, fourniront donc un accès direct au matériau d'origine à partir duquel le système solaire a été formé.
Plus d'information
Les résultats rapportés dans ce PR ESO sont présentés plus en détail dans un document de recherche «Les blocs de construction des planètes dans la région« terrestre »des disques protoplanétaires», par Roy van Boekel et co-auteurs (Nature, 25 novembre 2004). Les observations ont été faites au cours du programme de démonstration scientifique précoce de l’ESO.
Remarques
[1]: Ce communiqué de presse de l'ESO est publié en collaboration avec l'Institut astronomique de l'Université d'Amsterdam, aux Pays-Bas (NOVA PR) et le Max-Planck-Institut f? R Astronomie (Heidelberg, Allemagne (MPG PR).
[2]: L'équipe est composée de Roy van Boekel, Michiel Min, Rens Waters, Carsten Dominik et Alex de Koter (Astronomical Institute, University of Amsterdam, The Netherlands), Christoph Leinert, Olivier Chesneau, Uwe Graser, Thomas Henning, Rainer K ? hler et Frank Przygodda (Max-Planck-Institut f? r Astronomie, Heidelberg, Allemagne), Andrea Richichi, Sebastien Morel, Francesco Paresce, Markus Sch? ller et Markus Wittkowski (ESO), Walter Jaffe et Jeroen de Jong (Observatoire de Leiden , Pays-Bas), Anne Dutrey et Fabien Malbet (Observatoire de Bordeaux, France), Bruno Lopez (Observatoire de la Côte d'Azur, Nice, France), Guy Perrin (LESIA, Observatoire de Paris, France) et Thomas Preibisch (Max -Planck-Institut f? R Radioastronomie, Bonn, Allemagne).
[3]: L'instrument MIDI est le résultat d'une collaboration entre des instituts allemands, néerlandais et français. Voir ESO PR 17/03 et ESO PR 25/02 pour plus d'informations.
Source d'origine: communiqué de presse de l'ESO
