Les astronomes se sont longtemps demandé comment la Terre est devenue riche en eau, ce qui est confronté aux océans abyssaux, aux glaciers glacés et à la pluie qui se déversent du ciel dans les lacs, les rivières et les zones humides. L’eau, composée des premier et troisième éléments les plus courants de l’univers, est une molécule trompeusement simple à former. Pourtant, bien que les détails de sa livraison à des planètes rocheuses comme les nôtres puissent être essentiels pour comprendre la prévalence cosmique de la vie, elles restent principalement inconnues.
L’eau est un milieu puissant pour l’assemblage de molécules organiques complexes et offre des paradis pour l’émergence et l’évolution ultérieure de la vie telle que nous la connaissons. Au fond de la Terre, il assure la lubrification lithique qui empêche la tectonique des plaques stabilisatrice du climat de s’arrêter – un autre mécanisme qui pourrait être crucial pour la vie. Et lorsqu’il est gelé comme de la glace, il joue un rôle clé dans la formation de planète en fournissant la colle qui aide les jeunes mondes à grandir. En tant que tels, les scientifiques sont impatients de mieux comprendre les pégrinations planétaires de l’eau – les voies nécessaires pour transformer les planètes des roches desséchées en mondes aussi trempés que la Terre.
Pour mieux comprendre, les astronomes utilisent le télescope spatial James Webb (JWST) pour regarder dans des disques protoplanétaires: les tourbillons de gaz et de poussière autour des jeunes étoiles où les planètes se forment activement aujourd’hui. Bien que les astronomes aient aperçu de l’eau dans de tels disques auparavant, leur point de vue a été floue. Par exemple, la vapeur d’eau est visible pour le grand réseau de millimètres / submillimétriques d’Atacama (ALMA) – à bien des égards, l’observatoire radio le plus puissant sur Terre – mais l’installation ne peut en grande partie pas détecter la glace d’eau. Cela bloque les régions extérieures d’un disque protoplanétaire de l’examen minutieux d’Alma. Le tableau ne peut pas non plus sonder profondément les régions intérieures chaudes des disques où les corps terrestres se forment. JWST, en revanche, a été conçu avec de telles études à l’esprit et a – tout à fait littéralement–ouvert les vannes. Le nouvel Observatoire spatial offre des regards sans précédent sur la façon dont l’eau passe des nuages moléculaires géants en étoiles dans des disques protoplanétaires et enfin sur des planètes – avec des implications importantes pour l’astrobiologie, y compris si notre propre monde aqueux est en quelque sorte spécial ou commun.
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«Avec JWST, c’est comme soudain, vous essayez de nouvelles lunettes, et ils vous donnent une opinion beaucoup plus nette», explique Andrea Banzatti, un astronome de l’université d’État du Texas étudiant des disques protoplanétaires.
L’Odyssée cosmique de Water a commencé des centaines de millions d’années après le Big Bang. C’est à ce moment que les premières étoiles – qui avaient fusionné furieusement dans leur magasin d’hydrogène pour produire des éléments plus lourds – groupés dans des supernovae qui ont semé l’univers avec de l’oxygène. À ce stade, un seul atome d’oxygène pourrait se mêler à deux atomes d’hydrogène pour former une molécule d’eau – une molécule qui pourrait, dans un cycle cosmique de création et de destruction, être encore à nouveau par le rayonnement à haute énergie provenant d’étoiles et d’autres sources astrophysiques. Pourtant, tôt ou tard – des milliards d’années plus tard, dans certains cas – de l’eau a trouvé son chemin vers les confins froids des nuages moléculaires, où un autre chapitre chaotique et violent de son voyage commencerait. Les nuages moléculaires sont des touffes géantes et froides de poussière et de gaz congelé qui contiennent une glace d’eau abondante et servent de berceaux pour les étoiles et les planètes. Lorsque une partie d’un nuage atteint une densité critique, la gravité fait s’effondrer cette région dense et à peu près sphérique en un disque protoplanétaire aplati et tourbillonnant avec une étoile naissante et brillante en son centre. Une grande partie de ce processus est obscurcie par la poussière et s’est avérée presque impossible à sonder – jusqu’à JWST. «Il a fallu une sensibilité incroyable de JWST pour nous permettre d’attraper les quelques photons qui traversent et donc de caractériser les grains glacés juste avant le début de la formation d’étoiles et de planètes», explique Karin Öberg, astronome à l’Université Harvard.
De là, l’étoile croissante se nourrit de matériaux qui pleuvent de son disque enveloppant, créant plus de lumière et de chaleur – et potentiellement séparer les molécules d’eau du disque pour cuire l’humidité qui aurait autrement coulé dans les mondes. Si ce processus se produit trop efficacement, le résultat serait des galaxies pleines de systèmes planétaires desséchés, et nous pourrions bien ne pas être ici – ce qui explique en grande partie pourquoi la plupart des scientifiques soupçonnent que cela ne peut pas être le cas. D’une manière ou d’une autre, l’eau doit passer indemne des nuages moléculaires placides à travers des disques de formation d’étoiles grésillants.
En 2021, John Tobin, astronome de l’Observatoire national de la radio astronomie, et d’autres ont utilisé Alma pour observer le V883 Orionis – une protostar enrichie par un disque située à 1 305 années-lumière de la Terre qui n’est que légèrement plus massive que notre soleil mais qui brille à peu près 200 fois plus lumineux. La radiance du Protostar réchauffe le disque extérieur glacial, transformant la glace en vapeur d’eau qui devient une balise pour la vision radio d’Alma. Ce fut une pause chanceuse. L’équipe de Tobin a connu des rapports élevés d’eau semi-réceptrice – dans lesquelles le deutérium à isotopes d’hydrogène plus lourd substitut à l’un des deux atomes d’hydrogène standard et plus légers d’une molécule d’eau. Parce que l’eau semi-révalente ne peut se former que dans les températures froides – et non les températures élevées directement associées à la formation d’étoiles – ses origines autour de V883 Orionis doivent remonter vers le nuage moléculaire lui-même, suggérant que l’eau avait traversé le processus de formation d’étoiles inchangé. En effet, le rapport entre l’eau semi-morte à l’eau normale que Tobin et ses collègues ont observé parfaitement correspondant à la proportion observée dans d’autres nuages moléculaires. Il correspondait également au ratio trouvé dans les comètes de notre système solaire, en une manière à une manière que l’eau peut atteindre des mondes rocheux.
Les astronomes pensent actuellement que les planètes terrestres peuvent gagner de l’eau de trois manières différentes. Il se pourrait que l’eau soit là dès le départ – condamnée à des grains de poussière qui sont les éléments constitutifs des planètes elles-mêmes. Ou peut-être que les planètes croissantes siphon siphon la vapeur d’eau directement du gaz sur le disque primordial – allant de la gravité pour construire une atmosphère humide autour de leur noyau rocheux. Ou peut-être qu’une fois que les planètes se sont formées, elles gusent de l’eau importée via les restes de débris glacés tombant des régions éloignées du système planétaire. Les résultats de Tobin suggèrent que cette dernière voie joue un rôle de premier plan, mais que les comètes et les météorites déviant l’eau ne fonctionnent pas seuls. L’eau sur Terre a un rapport légèrement inférieur de l’eau semi-morte à l’eau normale que celle trouvée dans les comètes – ce qui signifie que si une grande partie de l’eau de notre planète est arrivée de l’arrière-pays glacé du système solaire extérieur, certains devaient plutôt être exposés à des températures élevées près du soleil. À quoi ressemble cette exposition, cependant, reste une question ouverte.
Pour trouver des réponses, Öberg veut construire une carte cosmique – pliant les emplacements de l’eau autour de ces jeunes disques protoplanétaires pour voir où il est facilement disponible pour nourrir tous les mondes de formation. Alma a déjà esquissé une image floue, et JWST commence à combler les lacunes avec des détails spectaculaires. En avril dernier, Sierra Grant, un astronome de l’Institut Max Planck pour la physique extraterrestre dans Garching, en Allemagne, et ses collègues ont utilisé JWST pour observer l’eau dans un disque qui était auparavant sèche – démanterant la capacité remarquable de l’observatoire spatial pour taire des idées fraîches même à partir de systèmes bien étudiés. «Nous sommes vraiment dans une nouvelle ère avec JWST», explique Grant. «Il est remarquable que nous puissions détecter des choses que nous ne pouvions pas détecter auparavant.»
Puis en août dernier, Giulia Perotti, un astronome de l’Institut Max Planck pour l’astronomie à Heidelberg, en Allemagne, et d’autres ont détecté une vapeur d’eau dans PDS 70 – le seul disque protoplanétaire encore connu pour abriter non pas mais deux planètes géantes. Leur présence signifie probablement que les planètes terrestres fusionnent également dans le disque intérieur – à l’endroit précis où les astronomes ont maintenant trouvé de l’eau. «C’est la première fois que nous détectons la vapeur d’eau dans les régions centrales d’un hébergement de la planète disque », explique Perotti. Les observations précédentes n’avaient montré aucune eau – ce qui n’était pas surprenant, étant donné que l’eau serait durement pressée pour survivre aux radiations intenses si près de l’étoile. Les astronomes savent désormais que cela peut et qu’il pourrait simplement se remettre aux atmosphères des planètes. une richesse d’eau dès le début.
Qu’en soi pourrait être un problème, dit Öberg, cela pourrait conduire à des mondes qui sont aussi riche en eau. Les scientifiques pensent actuellement que les mondes océaniques auront du mal à créer la vie, mais une planète avec des continents poivrés des étangs aura beaucoup plus de chance. En effet, de nombreuses réactions pensées cruciales pour la chimie prébiotique et la montée des systèmes chimiques complexes se déroulent beaucoup plus efficacement dans les petits étangs concentrés que dans de vastes océans dilués. De plus, les minéraux qui s’érodent des continents ajouteront des nutriments cruciaux à l’eau. Mais pour savoir à quelle fréquence l’univers construit des orbes terrestres comme la Terre, Öberg soutient que nous devons d’abord comprendre les jeunes disques protoplanétaires – en terminant cette carte cosmique, qui montre non seulement les emplacements de l’eau autour de ces disques, mais aussi comment il passe d’un lieu à la suivante.
La façon dont l’eau se déverse de la région extérieure glacée du disque vers l’intérieur, cependant, n’a pas été claire, en particulier dans PDS 70, où il y a un grand écart entre les disques extérieurs et intérieurs. Ensuite, en novembre dernier, Banzatti, Öberg et d’autres ont observé une vapeur d’eau dans la ligne de neige du système, la région de transition où les températures changeantes transforment l’eau de solide en liquide ou en gaz. Cela a confirmé un processus physique par lequel l’eau migre vers l’intérieur. Il y a quarante ans, les astronomes ont postulé que la glace d’eau sur le disque externe dériverait vers l’intérieur sur un matériau solide plus robuste – des grains de bonne chance et des galets dits glacés qui varient en taille de quelques millimètres à quelques mètres, jusqu’à ce que la ligne de neige dans un grand brouillard de vapeur d’eau. C’est la signature précise que Banzatti a observée. «C’est exactement ce qui était attendu dans cette théorie fondamentale de la formation de la planète, ce scénario de« dérive de galets »qui devrait alimenter la formation de [terrestrial planets] et même livrer de l’eau “, dit Banzatti.” De ce petit signal, nous pouvons construire une belle histoire. ” Et il a des implications pour PDS 70. Perotti soupçonne que ce mécanisme transportait de l’eau avant que l’écart ne se forment entre les régions extérieures et intérieures du disque du système.
La carte cosmique d’Öberg devient ainsi de plus en plus détaillée – avec de vastes réservoirs trouvés dans de nombreuses régions de disques protoplanétaires, ce qui suggère que l’eau pourrait bien s’écouler vers des mondes rocheux de multiples façons. Mais encore, les astronomes ne savent pas si un scénario a le dessus. «À ce stade de nos recherches, nous ne sommes pas en mesure d’être exclusifs», explique Perotti. Dans PDS 70, par exemple, il se pourrait que ces planètes terrestres perdent une partie de l’eau qui leur est facilement accessible, en repensant des astéroïdes pour le reconstituer plus tard. Les observations futures devraient faire la lumière sur la voie dominante, qui pourrait changer en fonction de certaines caractéristiques du système planétaire.
Grant, par exemple, est impatient de voir comment la dynamique de l’eau est à l’échelle de la masse stellaire. Jusqu’à présent, les étoiles de masse élevée semblent principalement sèches& Noobreak; Alors que les étoiles plus petites, plus de soleil semblent être relativement gorgées d’eau, mais Grant veut savoir ce qui est typique pour certaines des étoiles les plus diminutives. Appelés m nains, ces étoiles sont faibles, ce qui signifie que les planètes qui les tournent doivent être en orbite étroite pour être suffisamment chaude pour la vie – une bizarrerie qui les rend relativement faciles pour les chasseurs de planète à enquêter en utilisant JWST et d’autres télescopes. Leur disque protoplanétaire est depuis longtemps apparu de l’eau – mais de nouvelles données suggèrent désormais le contraire. En décembre dernier, Banzatti, Öberg et leurs collègues ont publié une étude détaillant le premier cas d’un disque riche en eau autour d’une étoile nwarf. Grant prévoit de sonder cette question en explorant autant de petites étoiles que possible. Pendant ce temps, l’analyse continue de Banzatti des lignes de neige de 30 systèmes différents révèle déjà que de petits disques compacts envoient 10 fois plus d’eau vers leurs régions intérieures que les grands disques étendus et remplis d’écart peuvent gérer. Le voyage cosmique de l’eau est enfin mis en évidence.
«C’est vraiment excitant de voir ces résultats se réunir», explique Tobin. “C’est un moment étonnant de découverte – mais nous n’avons vraiment fait que gratter la surface de ce qui existe.”
