Les scientifiques utilisant le télescope spatial James Webb de la NASA viennent de faire une découverte révolutionnaire en révélant comment les planètes sont créées. En observant la vapeur d’eau dans les disques protoplanétaires, Webb a confirmé un processus physique impliquant la dérive de solides recouverts de glace des régions extérieures du disque vers la zone des planètes rocheuses.
Les théories proposent depuis longtemps que les cailloux glacés se formant dans les régions froides et extérieures des disques protoplanétaires – la même zone où les comètes proviennent de notre système solaire – devraient être les germes fondamentaux de la formation des planètes. La principale exigence de ces théories est que les cailloux dérivent vers l’étoile en raison de la friction dans le disque gazeux, délivrant à la fois des solides et de l’eau aux planètes.
Une prédiction fondamentale de cette théorie est que lorsque les cailloux glacés pénètrent dans la région la plus chaude de la « limite des neiges » – là où la glace se transforme en vapeur – ils devraient libérer de grandes quantités de vapeur d’eau froide. C’est exactement ce qu’a observé Webb.
« Webb a finalement révélé le lien entre la vapeur d’eau dans le disque interne et la dérive de cailloux glacés depuis le disque externe », a déclaré l’investigateur principal Andrea Banzatti de l’Université d’État du Texas, à San Marcos, au Texas. « Cette découverte ouvre des perspectives passionnantes pour l’étude de la formation des planètes rocheuses avec Webb ! «
« Dans le passé, nous avions cette image très statique de la formation des planètes, presque comme s’il existait des zones isolées à partir desquelles les planètes se formaient », a expliqué Colette Salyk, membre de l’équipe du Vassar College de Poughkeepsie, New York. « Maintenant, nous avons la preuve que ces zones peuvent interagir les unes avec les autres. C’est aussi quelque chose qui se serait produit dans notre système solaire. »
Exploiter la puissance de Webb
Les chercheurs ont utilisé le MIRI (l’instrument infrarouge moyen) de Webb pour étudier quatre disques – deux compacts et deux étendus – autour d’étoiles semblables au Soleil. On estime que ces quatre étoiles ont entre 2 et 3 millions d’années, ce qui ne serait que des nouveau-nés dans le temps cosmique.
Les deux disques compacts devraient subir une dérive efficace des cailloux, délivrant des cailloux à une distance équivalente à l’orbite de Neptune. En revanche, les disques étendus devraient voir leurs cailloux retenus dans plusieurs anneaux jusqu’à six fois l’orbite de Neptune.
Les observations de Webb ont été conçues pour déterminer si les disques compacts ont une abondance d’eau plus élevée dans leur région intérieure rocheuse, comme prévu si la dérive des galets est plus efficace et fournit beaucoup de masse solide et d’eau aux planètes intérieures. L’équipe a choisi d’utiliser le MRS (spectromètre à moyenne résolution) de MIRI car il est sensible à la vapeur d’eau présente dans les disques.
Les résultats ont confirmé les attentes en révélant un excès d’eau froide dans les disques compacts, par rapport aux grands disques.
Au fur et à mesure que les cailloux dérivent, chaque fois qu’ils rencontrent une bosse de pression – une augmentation de la pression – ils ont tendance à s’y accumuler. Ces pièges à pression n’arrêtent pas nécessairement la dérive des cailloux, mais ils l’entravent. C’est ce qui semble se produire dans les grands disques comportant des anneaux et des espaces.
Les recherches actuelles suggèrent que les grandes planètes pourraient provoquer des anneaux de pression accrue, dans lesquels les cailloux ont tendance à s’accumuler. Cela aurait également pu être un rôle de Jupiter dans notre système solaire : inhiber l’apport de cailloux et d’eau vers nos petites planètes rocheuses intérieures et relativement pauvres en eau.
Résoudre l’énigme
Lorsque les données sont arrivées pour la première fois, les résultats étaient déroutants pour l’équipe de recherche. « Pendant deux mois, nous sommes restés bloqués sur ces résultats préliminaires qui nous disaient que les disques compacts avaient de l’eau plus froide, et que les grands disques avaient globalement de l’eau plus chaude », se souvient Banzatti. « Cela n’avait aucun sens, car nous avions sélectionné un échantillon d’étoiles ayant des températures très similaires. »
Ce n’est que lorsque Banzatti a superposé les données des disques compacts sur celles des grands disques que la réponse est clairement apparue : les disques compacts contiennent de l’eau très froide juste à l’intérieur de la limite des neiges, environ dix fois plus près que l’orbite de Neptune.
« Maintenant, nous voyons enfin sans ambiguïté que c’est l’eau la plus froide qui présente un excès », a déclaré Banzatti. « C’est sans précédent et entièrement dû au pouvoir de résolution plus élevé de Webb ! «
