Une percée scientifique du télescope spatial James Webb ouvre un nouveau chapitre dans la compréhension de la formation des lunes autour des planètes jeunes et massives – et nous ramène par la même occasion à l'époque de la naissance de notre système solaire.

Au centre de l'attention se trouve le jeune système CT Chamaeleontis, dans la constellation du Caméléon, situé à environ 625 années-lumière de la Terre. Au sein de ce système se trouve CT Cha b, un objet de type planétaire sur une orbite large, entouré d'un disque dense de gaz et de poussière – un ruban de matière qui, selon les théories dominantes, se condense pour former des lunes pendant que la planète est encore en formation. Les dernières observations de Webb en mode MIRI/MRS fournissent pour la première fois des caractéristiques chimiques et physiques directement mesurables de ce disque circumplanétaire, en séparant la lumière de la planète de l'éclat de la jeune étoile.

Pourquoi ce disque est-il spécial

Contrairement aux disques protoplanétaires qui entourent les étoiles et à partir desquels les planètes naissent, les disques circumplanétaires sont des réservoirs locaux de matière dans le domaine gravitationnel d'une jeune géante gazeuse. C'est précisément un tel environnement qui fut le berceau des satellites galiléens de Jupiter – Io, Europe, Ganymède et Callisto – qui se sont formés il y a plus de quatre milliards d'années à partir d'un anneau de gaz et de poussière autour du jeune Jupiter. Observer un exemple actuel d'un tel « chantier de construction de lunes » signifie obtenir une fenêtre sur l'histoire précoce du système solaire.

L'analyse de Webb montre que le disque autour de CT Cha b est extrêmement riche en molécules de carbone. Dans l'infrarouge moyen, des « empreintes » spectrales d'acétylène (C₂H₂), de benzène (C₆H₆) et de plusieurs autres composés carbonés ont été identifiées, tandis que simultanément, dans le disque stellaire plus grand autour de la jeune étoile, des raies d'eau ont été enregistrées sans indications claires d'une chimie du carbone similaire. Ce contraste suggère une évolution chimique très rapide et localement distincte dès les ~2 premiers millions d'années de la vie du système.

Géométrie du système et séparation de la lumière

La jeune étoile CT Cha n'a qu'environ 2 millions d'années et continue d'aspirer de la matière de son propre disque étendu. Cependant, CT Cha b orbite à l'extérieur de ce chantier animé – à une distance spatiale estimée à environ 74 milliards de kilomètres (ce qui correspond à environ ~495 unités astronomiques). À cette échelle, le compagnon planétaire et son disque forment un laboratoire chimique distinct. Le fait que Webb ait réussi à isoler le signal subtil du disque de la lumière de fond intense de la jeune étoile souligne la puissance de la combinaison d'une haute résolution angulaire et d'une spectroscopie à moyenne résolution.

Pour extraire la lumière de CT Cha b de l'éclat ambigu, les chercheurs ont utilisé des méthodes à haut contraste et une décomposition minutieuse de la fonction d'étalement du point (soustraction PSF). C'est ainsi qu'un spectre infrarouge pur a été reconstitué, à partir duquel les signatures chimiques du disque peuvent être lues.

Ce que la chimie nous révèle : les éléments constitutifs des futures lunes

La présence d'acétylène et de benzène n'est pas qu'une simple note de bas de page exotique : il s'agit de précurseurs de molécules organiques plus complexes. Dans des environnements où le rayonnement ultraviolet, les gradients thermiques et les collisions de grains de poussière sont présents, de tels hydrocarbures peuvent participer à la polymérisation et à la formation de HAP (hydrocarbures aromatiques polycycliques), mais aussi déclencher la carbonatation et la restructuration de la glace à la surface des grains. Tout cela modifie la viscosité et l'aérodynamisme des particules, accélère les collisions menant à la croissance et aide à la formation de corps plus grands – des grains millimétriques aux embryons de lunes kilométriques.

À l'inverse, le spectre riche en eau de la matière dans le disque stellaire indique une zone thermochimique et une source d'approvisionnement en gaz différentes. Cela implique que les lunes autour de CT Cha b, si elles se forment réellement, pourraient développer un rapport glace/roche différent de ce que nous attendrions uniquement des conditions dans le disque stellaire plus grand. Les deux satellites galiléens les plus éloignés, Ganymède et Callisto, contiennent aujourd'hui jusqu'à 50 % d'eau sous forme de glace – un exemple de la manière dont la chimie du disque définit les couches internes et l'évolution à long terme des lunes.

MIRI/MRS : comment Webb « entend » les molécules

L'instrument MIRI (Mid-Infrared Instrument) du télescope Webb couvre une gamme de longueurs d'onde où les excitations vibrationnelles-rotationnelles des molécules laissent des « raies » reconnaissables. En mode Spectrographe à Moyenne Résolution, MIRI offre un équilibre entre la finesse spectrale et la sensibilité, permettant la détection de raies faibles même lorsqu'elles se trouvent à proximité de sources beaucoup plus puissantes. Pour CT Cha b, cela signifiait que les signatures d'absorption/émission caractéristiques des hydrocarbures ont été isolées de la lumière de fond de l'étoile, après quoi une comparaison a été effectuée avec des bibliothèques spectrales et des modèles informatiques décrivant les disques gazeux et les atmosphères protoplanétaires.

Une telle « tomographie chimique » ne nous dit pas seulement ce qui est présent, mais aussi où certaines molécules se trouvent à l'intérieur du disque. Par exemple, les ceintures intérieures plus chaudes sont plus favorables à l'acétylène et au benzène, tandis que la vapeur d'eau et le CO₂ sont plus facilement retenus dans des zones légèrement plus froides ou à la surface des particules sous forme de glace. Cette distribution interne est directement liée au profil de température, aux taux d'accrétion et au mélange turbulent dans le disque.

Évolution rapide à un jeune âge du système

L'âge du système d'environ 2 millions d'années souligne à quel point la chimie change sur de courts intervalles cosmiques. Pendant cette période, la poussière s'agglomère, des planétésimaux se forment, et le disque perd lentement son gaz en raison de la photo-évaporation et de l'accrétion sur l'objet central. Le fait que, dans le même temps, le disque stellaire montre des traces prononcées d'eau, alors que le disque autour de la planète est dominé par les hydrocarbures, indique des sources d'approvisionnement en matière différentes et des environnements UV différents qui « cuisinent » la chimie de manières opposées.

Ce que nous disent la distance et la disposition

CT Cha b et son étoile sont séparés d'environ 74 000 000 000 km – un chiffre qui, converti en unités astronomiques, s'élève à environ 495 UA. À titre de comparaison, Pluton orbite autour du Soleil à une moyenne d'environ 39 UA. Une si grande séparation simplifie l'observation, mais soulève également des questions sur sa formation : CT Cha b s'est-il formé comme une planète sur une orbite large au sein du disque stellaire, ou est-il plus proche d'un scénario de naine brune ou d'« étoile ratée » ? La réponse réside précisément dans la composition chimique et la cinématique du disque qui l'entoure.

Implications pour l'habitabilité des lunes

Si des lunes se forment effectivement autour de CT Cha b, leur inventaire chimique initial sera teinté d'une abondance de carbone. Cela pourrait signifier une abondance de précurseurs organiques qui, lorsqu'ils arrivent sur des surfaces sous forme de glace ou dans des océans souterrains, pourraient servir de monnaie énergétique et chimique pour des processus prébiotiques. Dans le système solaire, les missions vers Europe et Encelade sont motivées précisément par la recherche des éléments chimiques constitutifs de la vie dans les lunes qui se sont formées.