Le télescope spatial James Webb, fruit d'une collaboration entre la NASA, l'Agence spatiale européenne (ESA) et l'Agence spatiale canadienne (ASC), a de nouveau tourné son regard puissant vers les profondeurs du cosmos et nous a offert un spectacle à couper le souffle. La dernière photographie du mois montre IRAS 04302+2247, un disque protoplanétaire extraordinaire situé dans une pouponnière d'étoiles, la région du Taureau, à une distance d'environ 525 années-lumière de la Terre. Cet objet céleste, enveloppé dans un nuage sombre de gaz moléculaire et de poussière, représente une fenêtre cruciale pour comprendre le processus de formation des planètes, y compris celui qui, il y a environ 4,5 milliards d'années, a conduit à la création de notre propre système solaire.

Un regard dans le berceau cosmique

À travers notre galaxie, dans de vastes et froids nuages de gaz, de nouvelles étoiles naissent. Ces embryons stellaires, connus sous le nom de protoétoiles, sont entourés de disques denses de matière à leurs premiers stades de développement. Ce sont précisément ces disques, constitués de gaz et de minuscules grains de poussière, qui sont les blocs de construction des futures planètes. En observant des objets comme IRAS 04302+2247, les astronomes peuvent reconstituer les conditions qui prévalaient à l'aube de notre système solaire, lorsque la Terre et les autres planètes se sont formées.

IRAS 04302+2247, abrégé en IRAS 04302, est un parfait exemple de protoétoile qui accumule encore activement de la masse de son environnement. La sensibilité exceptionnelle de Webb a permis de mesurer ce disque dont le diamètre s'étend sur une incroyable distance de 65 milliards de kilomètres, soit plusieurs fois le diamètre de notre système solaire. Ce qui rend cette image particulièrement significative, c'est la perspective unique. De notre point de vue, le disque est orienté par la tranche, de sorte que nous le voyons comme une fine ligne sombre coupant l'image. Cette bande sombre de poussière et de gaz obscurcit la lumière directe de la protoétoile centrale, permettant ainsi au télescope de capturer les structures plus subtiles dans son voisinage.

Le disque dans la paume de la main : une perspective unique

Lorsque les disques protoplanétaires sont observés « par le dessus », c'est-à-dire de face, ils révèlent souvent des structures complexes telles que des anneaux, des lacunes et des bras spiraux. Ces formations peuvent être les premières preuves de l'existence de jeunes planètes dont l'influence gravitationnelle dégage une trajectoire à l'intérieur du disque, rassemblant de la matière sur son chemin. Alternativement, de telles structures peuvent également résulter d'autres phénomènes, tels que des instabilités gravitationnelles au sein du disque lui-même ou des zones où les grains de poussière s'accumulent en raison de différences de pression du gaz.

Cependant, la vue par la tranche d'IRAS 04302 offre un aperçu complètement différent, mais tout aussi important. Elle révèle la structure verticale du disque, c'est-à-dire son épaisseur. Dans les modèles théoriques de la formation des planètes, une étape cruciale est la migration des grains de poussière vers le plan médian du disque. Là, ils se déposent, créant une couche de matière fine et très dense. Dans cette couche dense, les conditions sont idéales pour une agglomération et une croissance ultérieures, ce qui conduit finalement à la formation de noyaux planétaires. L'épaisseur du disque, que Webb peut mesurer avec précision, est un indicateur de l'efficacité de ce processus de sédimentation et un paramètre clé pour tester les théories sur la naissance des planètes.

L'étoile papillon et le jeu de l'ombre et de la lumière

La bande dense de gaz poussiéreux qui s'étend verticalement sur l'image agit comme un coronographe naturel, bloquant la lumière aveuglante de la protoétoile IRAS 04302. Grâce à cette occultation, Webb peut capturer les structures délicates et faibles qui l'entourent. En conséquence, deux nébuleuses éthérées et vaporeuses sont visibles de part et d'autre du disque sombre. Il s'agit de nébuleuses par réflexion – des nuages de gaz et de poussière qui n'émettent pas leur propre lumière, mais réfléchissent la lumière de l'étoile centrale cachée. En raison de l'apparence symétrique de ces deux nébuleuses, qui ressemblent à des ailes, IRAS 04302 a reçu le surnom approprié d'« Étoile Papillon » (Butterfly Star).

Ces nébuleuses fournissent des informations supplémentaires sur l'environnement de la jeune étoile. En analysant le spectre de la lumière réfléchie, les scientifiques peuvent en apprendre davantage sur la composition et la taille des grains de poussière dans les nuages entourant le disque. La couleur d'une nébuleuse par réflexion tend souvent vers la partie bleue du spectre, car les grains de poussière plus petits diffusent plus efficacement la lumière bleue de plus courte longueur d'onde, de la même manière que les particules dans l'atmosphère terrestre rendent le ciel bleu.

Le pouvoir de l'univers infrarouge : Webb et Hubble en collaboration

Cette image fascinante n'est pas le résultat du travail d'un seul télescope. C'est un portrait multi-longueurs d'onde, créé en combinant les données collectées par la caméra proche infrarouge de Webb (NIRCam), son instrument infrarouge moyen (MIRI), et les données optiques du légendaire télescope spatial Hubble. Chacun de ces instruments fournit une pièce unique du puzzle.

La capacité de Webb à observer dans le spectre infrarouge est cruciale pour l'étude de tels objets. Le rayonnement infrarouge peut pénétrer à travers d'épais nuages de poussière qui sont opaques à la lumière visible, permettant aux astronomes de voir ce qui se passe à l'intérieur du disque lui-même et dans son voisinage immédiat. NIRCam révèle la distribution de minuscules grains de poussière et la lumière réfléchie qui s'étend loin du disque, tandis que MIRI détecte le rayonnement thermique émis par les grains eux-mêmes, fournissant des informations sur leur température et leur composition. D'autre part, Hubble, qui observe principalement dans la lumière visible et ultraviolette, se concentre sur les détails de la bande de poussière elle-même et sur les amas et filaments de la nébuleuse environnante, ce qui suggère que l'étoile recueille encore activement de la matière de son environnement et éjecte de puissants jets et flux de matière, ce qui est typique des premières étapes de la vie stellaire.

Du grain de poussière à la planète : processus clés de formation

Les observations d'IRAS 04302 ont été menées dans le cadre d'un programme scientifique (Webb GO #2562), dirigé par une équipe de chercheurs internationaux. L'objectif de ce programme est d'étudier quatre disques protoplanétaires qui, comme IRAS 04302, nous sont orientés par la tranche. En comparant ces systèmes, les scientifiques espèrent comprendre comment la poussière évolue à l'intérieur des disques, ce qui est une étape fondamentale vers la formation des planètes. La croissance des grains de poussière est considérée comme une phase critique. Au départ, ces grains sont microscopiques, plus petits que des particules de fumée. Cependant, par des processus de collision et d'adhésion (coagulation), ils grossissent progressivement, formant des agrégats plus grands de la taille de cailloux et de roches. Ces objets plus grands, connus sous le nom de planétésimaux, continuent de entrer en collision et de fusionner les uns avec les autres jusqu'à ce qu'ils atteignent une taille suffisante pour que leur gravité commence à dominer, attirant le gaz et la poussière environnants et formant des planètes à part entière. L'étude de la structure verticale de disques comme celui-ci aide à comprendre la physique qui régit ce processus complexe et crucial, nous donnant un aperçu direct des conditions qui ont autrefois créé notre propre foyer planétaire.