Première localisation de l’eau dans un système planétaire en formation

L’eau est un ingrédient indispensable à la vie sur terre. La plus grande quantité d’eau des océans terrestres provient probablement d’un nuage interstellaire qui s’est effondré et à donné naissance à notre système solaire. L’une des questions fondamentales dans l’étude de nos origines est de comprendre comment et où l’eau s’est formée et la manière dont les molécules ont trouvé leur chemin à partir du nuage interstellaire primitif jusqu’aux planètes, comme la terre, il y a environ 4,5 billion d’années.

Alors que les astronomes ne peuvent pas remonter le temps pour observer notre propre système solaire, ils peuvent par contre étudier des systèmes planétaires en formation autour d’étoiles jeunes proches.

Un dessin artistique de l’étoile jeune NGC 1333 IRAS4B et de son disque. Ces disques, au sein desquel les astronomes pensent que les planètes se forment, sont constitués de gaz et de poussières.

Crédits: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)

Pour la première fois l’Interféromètre du Plateau de Bure de l’IRAM a pu localiser où se trouve l’eau dans un disque en rotation autour d’une de ces étoiles très jeunes, très semblables à notre soleil.

En raison des grandes quantités d’eau qui se trouvent dans notre propre atmosphère, les observations astronomiques de l’eau normale (H216O) exigent des satellites tels que le télescope spatial Herschel mis récemment sur orbite. Néanmoins, dans l’espace, environ une molécule d’eau sur 500 contient l’isotope lourd18O de l’oxygène. Certaines émissions de cette eau plus lourde (H218O) peuvent traverser l’atmosphère terrestre et être captées par les télescopes au sol, tels ceux de l’IRAM. Comme les télescopes sur terre sont nettement plus grands et ont un pouvoir de résolution 100 fois plus grand que n’importe quel télescope en orbite, l’observation au sol permet aux astronomes de voir avec une grande précision la distribution de l’eau autour d’étoiles en formation.

Une équipe d’astronomes – Jes Joergensen de l’Université de Bonn (Allemagne) et du Centre for Star and Planet Formation de Copenhague (Danemark) et Ewine van Dishoeck de l’Observatoire de Leiden (Pays-Bas) et du Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik à Garching (Allemagne) – a utilisé l’interféromètre du Plateau de Bure pour observer l’eau sous sa forme lourde autour d’une étoile jeune, nommée NGC 1333 IRAS4B, qui s’est formée il y a seulement 10.000 à 50.000 années.

Les astronomes ont découvert que l’eau autour de cette jeune étoile n’est concentrée qu’à une distance de 25 unités astronomiques de l’étoile dans le disque en rotation, une distance qui correspond à peu près à l’orbite de Neptune dans notre propre système solaire. Des observations précédentes de cette jeune étoile laissaient supposer que l’eau provenait surtout du nuage primitif sous forme de pluie, s’accrétant au fur et à mesure dans le disque. Mais les données de l’IRAM montrent que la quantité d’eau contenue dans le disque de l’étoile jeune est 100 fois plus élevée que les prédictions basées sur le scénario décrit ci-dessus et correspond à environ cent fois la masse d’eau contenue dans les océans terrestres. « L’eau se trouve probablement dans une couche chaude juste au-dessus du niveau moyen du disque, où la plus part de l’oxygène disponible est incorporée dans les molécules d’eau par réaction chimique » explique Ewine van Dishoeck. « Contrairement au scénario précédant, la plupart des molécules d’eau arrivent sur le disque sous forme de fine pellicule de glace entourant des poussières. Une fois dans le disque, ces « manteaux de glace » s’évaporent très vite à cause des températures élevées proche de l’étoile jeune. »

« Les observations de cette vapeur d’eau ouvrent une nouvelle voie pour l’étude de l’eau autour

L’image du disque autour de NGC 1333 IRAS4B dans le domaine radio, obtenue avec l’Interféromètre du Plateau de Bure. En haut à gauche l’on peut aperçevoir l’empreinte spectrale de la molécule d’eau.

Crédits: Jes K. Jørgensen and Ewine van Dishoeck

d’étoiles jeunes en cours de formation et complèteront les observations qui pourront être réalisées par satellite » explique Jes Joergensen, auteur principal de la publication. « Seul l’interféromètre du Plateau de Bure de l’IRAM est capable actuellement de capter et mettre en images ces signaux de cet isotope de l’eau, qui sont très faibles.

Par ailleurs, l’interféromètre du Plateau de Bure observe à une longueur d’onde qui permet de sonder les disques en profondeur ce qui nous permet d’accéder aux procédés physiques et chimiques qui contrôlent les premières étapes dans l’évolution de ces disques qui sont les étapes cruciales vers la formation éventuelle de planètes. » Durant les trois prochaines années, le télescope spatial Herschel étudiera de l’eau, sous forme normale, dans de nombreux nuages proto-stellaires dans notre propre galaxie et ailleurs.

Conjointement à des observations similaires faites avec des grands instruments au sol, les astronomes seront en mesure de déterminer précisément où se trouve l’eau autour des étoiles en formation, dans quelles quantités et à quel stade d’évolution.

Publié dans « The Astrophysical Journal », le 10 février 2010.

Article original

Communiqué sur le site web de l’INSU

Communiqué en anglais/English press release

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