Le télescope spatial James Webb approfondit les mystères des planètes gazeuses
On pourrait affirmer que l’un des aspects les plus déroutants de notre système solaire est le fait que toutes les planètes ne sont pas des roches aussi solides que la Terre. Certains sont littéralement, presque entièrement, constitués de gaz. Vous ne pouvez pas exactement « vous tenir » n’importe où sur Jupiter, à moins que vous ne parveniez à traverser ses couches gazeuses et à survivre à une pression irréelle avant de vous diriger vers le noyau potentiellement rocheux du monde strié d’orange. Cela ne semble pas idéal.
Même les créateurs de jeux vidéo de science-fiction ont parfois du mal à décrire ce que ce serait de traverser l’un de ces mondes. La première chose que j’ai essayé de faire après avoir eu un peu de liberté dans le jeu Xbox Champ d’étoiles c’était faire atterrir mon vaisseau sur sa simulation Neptune, juste pour voir ce qui se passerait. Le jeu ne le permettrait pas. Il va sans dire que le mystère des orbes de gaz massifs est également très intrigant pour les scientifiques. Et maintenant qu’ils ont le Télescope spatial James WebbLes yeux infrarouges incroyablement puissants sont disponibles, ils placent l’instrument spatial sur le boîtier.
La semaine dernière, une équipe a annoncé qu’elle pourrait avoir des mises à jour sur la dynamique de la formation des géantes gazeuses, grâce au JWST. Plus précisément, les chercheurs affirment avoir commencé à progresser dans la réponse à la question de savoir combien de temps les géantes gazeuses doivent probablement se former autour de leurs étoiles hôtes avant que tout le gaz autour de ces étoiles ne disparaisse.
La réponse courte est, pas très longue, mais l’histoire complète est beaucoup plus nuancée.
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L’équipe a utilisé le JWST pour sonder ce que l’on appelle (un peu à confusion) le « vent du disque ». Cela ne fait pas vraiment référence à un vent comme vous pouvez l’imaginer. Il s’agit plutôt du processus par lequel le gaz quitte un disque autour d’une étoile. Ce « disque » serait rempli de différents types de matériaux susceptibles de donner naissance à des planètes. Il est donc autrement connu sous le nom de « disque protoplanétaire ».
« Nous savions qu’ils existaient et qu’ils pourraient jouer un rôle important dans l’évolution du disque », a déclaré à Space.com Naman Bajaj, auteur principal de la nouvelle analyse du vent du disque et scientifique du laboratoire des sciences lunaires et planétaires de l’Université d’Arizona. « Ce que nous ne savions pas, c’était la physique sous-jacente et, par conséquent, la quantité de masse perdue. Ces éléments sont essentiels pour répondre à toutes nos questions sur son impact. »
Un tel disque comprendrait également des débris non gazeux, comme de la poussière qui peut se rassembler au fil du temps pour créer des planètes rocheuses. C’est en fait ainsi que l’on pense que la Terre s’est formée autrefois.
« En ce qui concerne le nom, je ne peux que soupçonner que c’est à cause de sa vitesse » lente « », a déclaré Bajaj. Le vent du disque étudié par l’équipe, explique-t-il, semble se déplacer à une vitesse d’environ 10 à 15 kilomètres (6 à 9 miles) par seconde. En revanche, les modèles de gaz se déplaçant rapidement sont généralement appelés « jets ». Ceux-ci peuvent se vanter d’atteindre des vitesses supérieures à 100 kilomètres (62 miles) par seconde.
Bien que Bajaj et ses collègues chercheurs n’aient pas trouvé de réponse définitive et solidement confirmée quant au temps qu’il faudra aux planètes gazeuses pour se former avant que le gaz du disque protoplanétaire ne s’épuise complètement, il a proposé une approximation basée sur ses calculs. « Compte tenu de la masse de gaz présente dans ce disque et en supposant que le gaz continue à s’échapper au rythme constant que nous trouvons – environ une masse lunaire chaque année – cela prendra environ 100 000 ans », estime-t-il.
Oui, cela semble long (très) long. Mais, comme l’a souligné Bajaj, il s’agit d’une échelle de temps incroyablement courte en termes astronomiques : « Un disque protoplanétaire vit environ cinq à 10 millions d’années ! »
Comment trouver un disque spatial
La première étape pour aborder les mouvements de vent de disque est simplement de trouver un sujet de vent de disque. Et pour trouver un sujet disque-vent, vous devez bien sûr trouver un disque protoplanétaire.
Notre système solaire ne fonctionnera pas pour ce type d’analyse, car toutes nos planètes sont complètes, y compris celles gazeuses. Ainsi, la cible disque-vent de l’équipe a fini par être associée au disque autour d’une jeune étoile de faible masse appelée T Cha. Honnêtement, c’est une star super intéressante en soi. Le corps étincelant qui repose 350 années-lumière de la Terre, est connu pour avoir un grand trou de poussière dans son disque. Cet espace de poussière est exactement ce à quoi il ressemble.
« On pense que ces lacunes sont créées par les planètes, car elles consomment toute la matière sur leur passage lorsqu’elles tournent autour de l’étoile », a déclaré Bajaj.
Par conséquent, un tel écart suggère que l’étoile est effectivement entourée de planètes en herbe. et est suffisamment vieux pour que ces mondes naissants aient eu le temps de ronger une partie du disque lui-même. « Nous appelons également cela la phase de transition », a déclaré Bajaj. « Il est en train de passer d’un disque protoplanétaire à une structure semblable à celle du système solaire. » De plus, des observations précédentes au sol, explique Bajaj, suggéraient qu’il y avait du néon dans le disque qui marque essentiellement la façon dont le gaz du disque s’échappe lentement. Nous en reparlerons prochainement.
Un excellent sujet de disque était donc en main. L’étape suivante consistait à commencer à faire quelques observations pour voir ce qui se passe autour de T Cha.
Il était temps de traquer des néons.
Noblesse gazeuse
Le néon est un gaz rare, qui est une catégorie d’éléments représentés par des atomes avec des couches électroniques externes entièrement remplies, ou couches de valence. Simplement, en raison de cette caractéristique de coque de valence, ces gaz sont très peu réactifs. Cependant, il est toujours possible qu’ils perdent l’un de ces électrons externes s’ils sont exposés à une température suffisamment élevée. Si cela devait se produire, le gaz deviendrait « ionisé » ou chargé électriquement.
Parce que les électrons ont une charge négative, en perdre une rend un atome auparavant neutre un peu plus positif. De la même manière, obtenir un électron supplémentaire rendrait un atome auparavant neutre un peu plus négatif. Mais ce qui est important pour les astronomes, c’est que lorsque cette ionisation se produit quelque part dans l’univers, une signature est laissée et peut être suivie par leur équipement. Cela inclut le télescope spatial James Webb.
Et, comme l’explique Bajaj, la signature du néon est particulièrement spéciale pour le suivi du vent du disque.
Tout d’abord, certains gaz sont tout simplement plus susceptibles d’exister dans les disques protoplanétaires. Le néon léger en fait partie. « Pour les gaz nobles plus lourds, leur abondance est très faible, nous ne les verrons donc pas », a expliqué Bajaj.
Deuxièmement, l’ionisation se produit différemment selon les éléments. Parfois, il faut une température très élevée pour expulser un électron d’un atome ; d’autres fois, les électrons sortent plus volontiers et le font à des températures plus basses.
« L’hélium, qui est beaucoup plus abondant que n’importe lequel de ces éléments [noble gases]a une exigence de température beaucoup plus élevée pour qu’il soit ionisé », a déclaré Bajaj.
Cependant, le néon, en revanche, crachera un électron sous des exigences de température plus modestes. C’est pourquoi l’équipe a recherché spécifiquement des raies d’émission du néon pour voir comment le gaz évolue au sein du disque protoplanétaire T Cha. Bref, ils en ont trouvé deux.
« Quand nous avons vu le spectre pour la première fois – lors de ma première semaine d’études supérieures – nous avons vu que les deux lignes de néon étaient en plein essor! » Bajaj a fait remarquer, ajoutant qu’une de ces lignes n’avait en fait jamais été vue auparavant autour de T Cha. « Nous avons découvert que le néon venait de plus loin de l’étoile en l’observant avec JWST. »
« J’ai passé plusieurs mois à essayer de déterminer, à partir des images, si nous pouvions voir la structure d’émission du néon ; c’était très difficile », a déclaré Bajaj. Il a fallu environ huit mois, a-t-il expliqué, avant de pouvoir confirmer, à partir des images du JWST, que la structure était bien là.
Mais ce n’est pas tout. Il y a eu une surprise.
En plus des lignes de néon, l’équipe a trouvé une ligne d’argon très puissante, a déclaré Bajaj. Bien qu’une raie d’argon comme celle-ci ait déjà été observée dans quelques disques protoplanétaires, aucune n’avait semblé aussi forte.
Ensuite, il y avait un autre surprendre.
« Nous avons toujours pensé que nous avions deux raies d’émission de néon et une raie d’émission d’argon, mais un beau jour, je parcourais le spectre et j’ai découvert que nous avions une autre raie d’argon », a déclaré Bajaj. « C’était beaucoup plus faible que tous les autres, donc nous l’avons manqué pendant un certain temps. »
« Nous avons réalisé que c’est la première fois que nous voyons cette ligne dans un disque protoplanétaire ! » il ajouta. « Certains chercheurs expérimentés pensaient que cela ne serait jamais possible, mais après quelques mois de tests plus rigoureux, nous avons confirmé que nous y sommes parvenus. »
Où allons-nous à partir d’ici?
Un point majeur a réitéré Bajaj est que le nouveau résultat de l’équipe est en réalité une petite étape, quoique cruciale, dans la grande marche vers une meilleure compréhension de la nature hallucinante des planètes gazeuses. D’où viennent ces étranges sphérules de gaz ? Leur architecture semble si difficile à gérer.
Non seulement ces nouveaux travaux renforcent de nombreuses observations antérieures menées dans ce domaine (dont certaines ont été dirigé par les co-auteurs de Bajaj, en fait), mais cela ouvre également la porte à un large éventail d’études futures fascinantes. Par exemple, avec ces détails sur le vent du disque, Andrew Sellek, co-auteur de l’étude et chercheur postdoctoral à l’Université de Leiden aux Pays-Bas, a rédigé un article ultérieur décrivant des simulations suggérant que le processus du vent du disque est piloté par quelque chose. appelée photoévaporation.
Au risque de simplification excessive, la photoévaporation fait ici référence à l’énergie d’une étoile qui chauffe le gaz dans le disque qui l’entoure, ce qui force ensuite ce gaz à se disperser dans l’espace. « Un peu comme la façon dont l’eau s’évapore sur Terre », a déclaré Bajaj. L’article de Sellek a en fait été récemment accepté pour publication dans The Astronomical Journal ; une pré-impression est disponible pour consultation juste ici.
D’accord, à ce stade, je réfléchis peut-être un peu, mais après avoir approfondi la dynamique du vent du disque, je ne peux m’empêcher de considérer à quel point le sujet est satisfaisant. C’est presque comme si les pièces se mettaient simplement en place.
Par exemple, en raison de la façon dont le gaz semble sortir d’un disque protoplanétaire, il est vrai qu’une fois le gaz disparu, seules des planètes rocheuses peuvent se former. Il est également vrai que les mondes gazeux, et en particulier les géantes gazeuses, sont plus susceptibles d’apparaître dans les zones extérieures d’un système planétaire. Il a tendance à y avoir une masse plus générale dans les régions extérieures d’un disque protoplanétaire, conduisant ainsi à des planètes plus massives dans leur ensemble – qui incluraient des géantes gazeuses de type Jupiter. De plus, les stars hôtes elles-mêmes ont leur mot à dire en la matière.
« Les planètes rocheuses très proches de l’étoile auront très peu ou pas d’atmosphère [like Mercury] », car il sera éliminé par les photons de haute énergie du soleil – semblable à la photoévaporation », a déclaré Bajaj. « Pour les géantes gazeuses, si elles se forment près de l’étoile, il est possible qu’elles trouvent un équilibre entre leur gaz et le l’énergie du soleil. »
Et enfin, même si cela semble extrêmement cliché à dire à ce stade, tout cela témoigne de la façon dont le télescope spatial James Webb révolutionne notre compréhension de l’univers. Sa sensibilité infrarouge est certes immense, mais bon nombre de ses découvertes doivent elles-mêmes à l’ensemble des travaux déjà disponibles sur lesquels s’appuyer – la bibliothèque d’articles qui a aidé les scientifiques à décider où, précisément, le JWST devrait chercher.
« Nous nous appuyons réellement sur les épaules de géants et de télescopes géants », a déclaré Bajaj.
L’étude a été publiée le 4 mars dans The Astronomical Journal.