Webb découvre que les disques formant des planètes vivaient plus longtemps au début de l’univers

Le télescope spatial James Webb NASA/ESA/CSA vient de résoudre une énigme en prouvant une découverte controversée faite avec le télescope spatial NASA/ESA Hubble il y a plus de 20 ans.

En 2003, Hubble a mis en évidence l’existence d’une planète massive autour d’une très vieille étoile, presque aussi vieille que l’univers. Ces étoiles ne possèdent que de petites quantités d’éléments plus lourds qui constituent les éléments constitutifs des planètes. Cela impliquait qu’une certaine formation de planètes s’était produite lorsque notre univers était très jeune et que ces planètes avaient eu le temps de se former et de grandir à l’intérieur de leurs disques primordiaux, encore plus gros que Jupiter. Mais comment ? C’était déroutant.

Pour répondre à cette question, les chercheurs ont utilisé Webb pour étudier les étoiles d’une galaxie proche qui, tout comme l’univers primitif, manque de grandes quantités d’éléments lourds. Ils ont découvert que non seulement certaines étoiles possèdent des disques formant des planètes, mais que ces disques ont une durée de vie plus longue que ceux observés autour des jeunes étoiles de notre galaxie, la Voie lactée. L’ouvrage est publié dans Le journal d’astrophysique.

“Avec Webb, nous avons une très forte confirmation de ce que nous avons vu avec Hubble, et nous devons repenser la manière dont nous modélisons la formation des planètes et les premières évolutions dans le jeune univers”, a déclaré Guido De Marchi, responsable de l’étude du Centre européen de recherche et de technologie spatiales de l’ESA. Noordwijk, Pays-Bas.

Un environnement différent au début

Dans l’univers primitif, les étoiles se formaient principalement à partir d’hydrogène et d’hélium, et de très peu d’éléments plus lourds tels que le carbone et le fer, apparus plus tard lors des explosions de supernova.

“Les modèles actuels prédisent qu’avec si peu d’éléments plus lourds, les disques autour des étoiles ont une durée de vie courte, si courte en fait que les planètes ne peuvent pas grandir”, a déclaré Elena Sabbi, co-chercheuse de l’étude Webb et scientifique en chef de l’Observatoire Gemini au National Science. NOIRLab de la Fondation à Tucson. “Mais Hubble a effectivement vu ces planètes, et si les modèles n’étaient pas corrects et que les disques pouvaient vivre plus longtemps ?”

Pour tester cette idée, les scientifiques ont entraîné Webb sur le Petit Nuage de Magellan, une galaxie naine qui est l’une des plus proches voisines de la Voie lactée. En particulier, ils ont examiné l’amas massif formant des étoiles NGC 346, qui présente également un manque relatif d’éléments plus lourds. L’amas a servi de proxy à proximité pour étudier les environnements stellaires présentant des conditions similaires dans l’univers lointain et primitif.

Les observations de Hubble sur NGC 346 au milieu des années 2000 ont révélé de nombreuses étoiles âgées d’environ 20 à 30 millions d’années qui semblaient encore entourées de disques formant des planètes. Cela allait à l’encontre de la croyance conventionnelle selon laquelle de tels disques se dissiperaient au bout de 2 ou 3 millions d’années.

“Les découvertes de Hubble étaient controversées, allant non seulement à l’encontre des preuves empiriques de notre galaxie, mais aussi aux modèles actuels”, a déclaré De Marchi. “C’était intriguant, mais sans moyen d’obtenir les spectres de ces étoiles, nous ne pouvions pas vraiment établir si nous assistions à une véritable accrétion et à la présence de disques, ou simplement à des effets artificiels.”

Aujourd’hui, grâce à la sensibilité et à la résolution de Webb, les scientifiques disposent des tout premiers spectres d’étoiles en formation semblables au Soleil et de leurs environnements immédiats dans une galaxie proche.

“Nous voyons que ces étoiles sont effectivement entourées de disques et sont encore en train d’engloutir de la matière, même à un âge relativement avancé de 20 ou 30 millions d’années”, a déclaré De Marchi. “Cela implique également que les planètes ont plus de temps pour se former et croître autour de ces étoiles que dans les régions de formation d’étoiles proches de notre propre galaxie.”

Une nouvelle façon de penser

Cette découverte réfute les prédictions théoriques précédentes selon lesquelles lorsqu’il y avait très peu d’éléments plus lourds dans le gaz autour du disque, l’étoile exploserait très rapidement le disque. La durée de vie du disque serait donc très courte, voire inférieure à un million d’années. Mais si un disque ne reste pas assez longtemps autour de l’étoile pour que les grains de poussière se collent les uns aux autres et que les cailloux se forment et deviennent le noyau d’une planète, comment les planètes peuvent-elles se former ?

Les chercheurs ont expliqué qu’il pourrait y avoir deux mécanismes distincts, voire une combinaison, permettant aux disques formant des planètes de persister dans des environnements pauvres en éléments plus lourds.

Premièrement, pour pouvoir souffler le disque, l’étoile applique une pression de rayonnement. Pour que cette pression soit efficace, il faudrait que des éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium résident dans le gaz. Mais l’amas massif d’étoiles NGC 346 ne contient qu’environ 10 % des éléments les plus lourds présents dans la composition chimique de notre Soleil. Peut-être qu’il faut simplement plus de temps à une étoile de cet amas pour disperser son disque.

La deuxième possibilité est que, pour qu’une étoile semblable au Soleil se forme lorsqu’il y a peu d’éléments plus lourds, elle devrait partir d’un plus grand nuage de gaz. Un plus gros nuage de gaz produira un disque plus gros. Il y a donc plus de masse dans le disque et il faudrait donc plus de temps pour faire exploser le disque, même si la pression de rayonnement fonctionnait de la même manière.

“Avec plus de matière autour des étoiles, l’accrétion dure plus longtemps”, a déclaré Sabbi. “Les disques mettent dix fois plus de temps à disparaître. Cela a des implications sur la façon dont vous formez une planète et sur le type d’architecture système que vous pouvez avoir dans ces différents environnements. C’est tellement excitant.”