Dans la vaste étendue de l'univers, les astronomes rencontrent souvent des énigmes cosmiques qui défient les explications simples. L'un de ces mystères de longue date concerne les atmosphères des géantes gazeuses comme Jupiter et Saturne. Pourquoi manquent-elles de silicium, l'un des éléments les plus abondants de l'univers ? La réponse à cette question, semble-t-il, est venue d'une direction inattendue : l'étude d'un corps céleste inhabituel qui, en raison de sa nature étrange et de sa découverte accidentelle, a été surnommé « L'Accident ».

Une nouvelle étude, s'appuyant sur les capacités incroyables du télescope spatial James Webb, a jeté un nouvel éclairage sur les processus chimiques profondément enfouis dans les atmosphères de ces planètes, ainsi que de milliers d'autres mondes au-delà de notre système solaire. Au cœur de l'histoire se trouve une molécule que les scientifiques recherchaient depuis longtemps, mais qu'ils n'avaient jusqu'à présent pas réussi à trouver : le silane.

Une découverte fortuite qui a tout changé

« L'Accident », officiellement nommé WISEA J153429.75-104303.3, est une naine brune, un corps céleste fascinant qui représente une forme de transition entre les plus grandes planètes et les plus petites étoiles. Les naines brunes sont plus massives que Jupiter, mais pas assez massives pour déclencher la fusion nucléaire de l'hydrogène dans leur noyau, le processus qui donne leur éclat aux étoiles. Pourtant, même dans la catégorie de ces « étoiles ratées », « L'Accident » se distingue comme un spécimen exceptionnellement inhabituel.

Cet objet possède une combinaison déroutante de caractéristiques ; certaines sont typiques des très jeunes naines brunes, tandis que d'autres ne sont observées que chez les très anciennes. C'est précisément à cause de cette nature inhabituelle qu'il a échappé pendant des années aux méthodes de détection standard. Il n'a été découvert qu'il y a cinq ans, non pas par un astronome professionnel, mais grâce à l'enthousiasme d'un citoyen scientifique. Dan Caselden, participant au projet Backyard Worlds: Planet 9, a remarqué le faible mouvement de cet objet en examinant les données d'archives de la mission NEOWISE (Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer) de la NASA. Ce projet permet à des volontaires du monde entier d'analyser de vastes quantités de données et d'aider à découvrir de nouveaux mondes dans notre voisinage cosmique.

« L'Accident » est si pâle et spectralement étrange que les scientifiques ont dû utiliser le plus puissant observatoire spatial jamais construit, le télescope James Webb, pour sonder son atmosphère. L'analyse de la lumière traversant l'atmosphère de cette naine brune a révélé plusieurs surprises, mais l'une d'entre elles était particulièrement importante. Parmi les signatures chimiques, l'équipe a remarqué des traces d'une molécule qu'elle n'a pas pu identifier au départ. Une analyse plus détaillée a confirmé qu'il s'agissait de silane ($SiH_4$), une molécule simple composée d'un seul atome de silicium et de quatre atomes d'hydrogène.

Le fantôme d'une molécule : Pourquoi la découverte du silane est-elle un grand succès ?

La découverte du silane est monumentale. Depuis des décennies, les scientifiques ont émis l'hypothèse que cette molécule devrait exister non seulement dans les atmosphères des naines brunes, mais aussi dans les couches supérieures des atmosphères des géantes gazeuses de notre système solaire. Pourtant, malgré de nombreuses recherches, elle n'avait jamais été détectée – jusqu'à présent. « L'Accident » est devenu le premier objet de son genre dans l'atmosphère duquel l'existence de silane a été confirmée sans équivoque.

La communauté scientifique est presque certaine que le silicium existe dans les atmosphères de Jupiter et de Saturne, mais elle pense qu'il est caché à notre vue. La théorie dominante suggère que le silicium, en présence d'oxygène, se lie très facilement pour former des composés de silicate, comme le quartz. Sur les géantes gazeuses chaudes, ces silicates peuvent former des nuages, semblables aux tempêtes de sable sur Terre. Sur les géantes gazeuses plus froides, comme Jupiter et Saturne, ces lourds nuages de silicate s'enfoncent profondément dans l'atmosphère, bien en dessous des couches plus légères de nuages d'ammoniac et de vapeur d'eau. Ils se trouvent à de si grandes profondeurs qu'ils sont invisibles même pour les engins spatiaux qui ont étudié ces planètes de près.

Cependant, certains chercheurs ont émis l'hypothèse que des molécules de silicium plus légères, comme le silane, devraient rester dans les couches supérieures de l'atmosphère, comme des traces de farine sur la table d'un boulanger. Le fait que de telles molécules n'aient été trouvées nulle part ailleurs que dans cette seule naine brune, extrêmement inhabituelle, suggère quelque chose de crucial sur la chimie qui se déroule dans ces environnements. « Parfois, nous avons besoin des objets extrêmes pour comprendre ce qui se passe dans les objets moyens », a déclaré Jacqueline Faherty, chercheuse au Musée américain d'histoire naturelle de New York et auteure principale de l'étude publiée début septembre dans la prestigieuse revue Nature.

Une relique de l'aube de l'univers

Pour comprendre pourquoi « L'Accident » contient du silane et pas d'autres objets, nous devons remonter loin dans le temps. Située à environ 50 années-lumière de la Terre, cette naine brune s'est probablement formée il y a 10 à 12 milliards d'années. Étant donné que l'univers lui-même a environ 13,8 milliards d'années, « L'Accident » est l'une des plus anciennes naines brunes jamais découvertes – une véritable relique cosmique.

À l'époque où cet objet se formait, l'univers était chimiquement très pauvre. Il était composé presque exclusivement d'hydrogène et d'hélium, avec seulement des quantités négligeables d'éléments plus lourds, y compris le silicium. Des éléments comme le carbone, l'azote et l'oxygène, essentiels à la chimie telle que nous la connaissons, sont créés au cœur des étoiles et ne sont dispersés dans l'univers qu'après leur mort. Par conséquent, les planètes et les étoiles qui se sont formées plus tard, comme notre Soleil, Jupiter et Saturne, possèdent beaucoup plus de ces éléments.

Les observations du télescope Webb confirment que le silane peut en effet se former dans les atmosphères des naines brunes et des planètes. Son absence dans d'autres objets plus jeunes suggère fortement que, lorsque l'oxygène est disponible, il se lie avec une facilité et une efficacité exceptionnelles au silicium. Dans ce processus, l'oxygène « dévore » tout le silicium disponible, ne laissant presque rien pour se lier à l'hydrogène et former du silane.

Alors pourquoi « L'Accident » a-t-il du silane ? Les auteurs de l'étude supposent que la raison est précisément son âge. Dans l'univers primitif, lorsque cette ancienne naine brune s'est formée, il y avait beaucoup moins d'oxygène. En raison de cette pénurie, le silicium n'avait rien avec quoi former des silicates. Au lieu de cela, il s'est lié à l'élément le plus disponible – l'hydrogène – et c'est ainsi qu'est né le silane, une molécule qui a été préservée dans son atmosphère pendant des milliards d'années.

Une signification cosmique plus large

Cette découverte a des implications qui vont bien au-delà de la compréhension de Jupiter et de Saturne. Les naines brunes sont souvent plus faciles à étudier que les exoplanètes, les géantes gazeuses qui gravitent autour d'autres étoiles. La lumière d'une planète lointaine est généralement éclipsée par l'éclat de son étoile mère, tandis que les naines brunes voyagent pour la plupart seules dans l'espace, ce qui en fait des laboratoires naturels idéaux pour l'étude des atmosphères planétaires.

« Nous n'avons pas entrepris ces observations dans l'intention de résoudre le mystère de Jupiter et de Saturne », a déclaré Peter Eisenhardt du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA, scientifique du projet pour la mission WISE. « Nous voulions découvrir pourquoi cette naine brune est si étrange, mais nous ne nous attendions pas au silane. L'univers ne cesse de nous surprendre. »

Les leçons tirées de l'étude d'objets comme « L'Accident » sont applicables à toutes sortes de planètes, y compris celles situées en dehors de notre système solaire qui pourraient présenter des signes d'habitabilité. Bien qu'il soit important de souligner qu'il ne s'agit pas ici de rechercher la vie, la méthodologie est essentielle. « Pour être clair, nous ne trouvons pas de vie sur les naines brunes », a précisé Faherty. « Mais à un niveau supérieur, en étudiant toute cette diversité et cette complexité dans les atmosphères planétaires, nous préparons les scientifiques qui devront un jour faire ce genre d'analyses chimiques pour des planètes rocheuses semblables à la Terre. Il ne s'agira peut-être pas spécifiquement du silicium, mais ils obtiendront des données compliquées, déroutantes et qui ne correspondent pas aux modèles existants, tout comme nous. Ils devront décortiquer toute cette complexité s'ils veulent répondre aux grandes questions. »