Dans l’histoire ancienne de notre système solaire, les scientifiques émettent l’hypothèse qu’un objet de la taille de Mars appelé Theia s’est écrasé sur la Terre naissante, vaporisant d’énormes quantités de roche et les projetant dans l’espace. Une partie de ce matériau s’est condensée pour former la Lune, où le programme Artemis de la NASA ramène des humains, se prépare pour Mars et façonne l’avenir de l’exploration spatiale.
Cette collision violente et ancienne a remodelé notre planète d’origine. Des astronomes ont utilisé le télescope spatial James Webb de la NASA pour examiner une classe de jeunes systèmes stellaires présentant des signes de bouleversements similaires, fournissant des indices sur la quantité d’énergie contenue lors de leurs collisions. Les résultats offrent des éclairages sur la composition et l’évolution de ces systèmes chaotiques.
Les conclusions de l’équipe ont été publiées jeudi dans The Astrophysical Journal.
L’environnement entourant une étoile change avec son âge, en commençant par un disque protoplanétaire juvénile riche en gaz où des planètes en formation peuvent résider, avant d’évoluer vers un disque de débris pauvre en gaz. Au cours de sa mission, le télescope spatial Spitzer de la NASA, à la retraite, a examiné l’étage du disque de débris et a découvert une sous-classe appelée disques de débris extrêmes. Ces systèmes abritent des quantités exceptionnellement élevées de poussière chaude près de l’étoile, dans une région comparable à celle où orbitent les planètes rocheuses dans notre système solaire. Une équipe d’astronomes dirigée par Kate Su de l’Institut des sciences spatiales de Boulder, Colorado, a étudié ces objets intrigants avec Webb.
Contrairement aux prédictions théoriques, qui suggèrent que nous devrions observer de nombreux disques de débris extrêmes, les observations indiquent que ces environnements sont rares. Les scientifiques estiment qu’environ seulement 1 % des jeunes étoiles présentent des signatures observables de cette phase sur la base des données recueillies jusqu’à présent, y compris possiblement notre propre système solaire lors de sa formation. Malgré leur rareté, l’équipe a pu compiler un échantillon de 21 disques de débris extrêmes, dont cinq provenant des données d’archives de Spitzer et 16 de Webb, avec 12 disques nouvellement observés et des observations de suivi sur quatre de ceux de Spitzer.
« C’est la première fois que nous rassemblons suffisamment de systèmes pour vraiment comprendre cette sous-classe que nous appelons des disques de débris extrêmes », a déclaré Su, auteur principal de l’article. « Avant Webb, nous avions peu d’informations. Nous savions qu’ils sont étranges et très différents des disques de débris froids typiques que nous connaissons, comme Vega et Fomalhaut. Maintenant que nous avons plus de données, nous pouvons déterminer ce que ces disques représentent pour la formation et l’évolution des planètes. »
L’équipe a confirmé que les disques de débris extrêmes partagent trois propriétés clés : des grains de poussière plus petits que ceux des disques de débris protoplanétaires ou classiques, une forte concentration de poussière chaude, et des variations irrégulières de luminosité, toutes révélées par les spectres du moyen infrarouge de Webb et Spitzer.
Pour déterminer le facteur moteur de ces qualités, l’équipe a étudié la composition minéralogique des disques. Ils ont découvert que leur échantillon pouvait être catégorisé en disques riches en silice et pauvres en silice. Le verre volcanique comme l’obsidienne est un exemple de matériau riche en silice trouvé sur Terre, tandis que le minéral pauvre en silice forsterite apparaît sous forme de grains de sable vert sur certaines plages d’Hawaï. La catégorie d’un disque de débris extrême transmet des informations sur le type de collisions produisant les débris d’impact et peut aider à expliquer sa variabilité de la luminosité infrarouge.
« Voir simplement leur émission infrarouge moyen et leurs magnifiques caractéristiques spectrales avec Webb, qui nous ont permis d’identifier leurs compositions, a été la chose la plus excitante pour moi », a déclaré Agnes Kospal de l’observatoire Konkoly à Budapest, en Hongrie, et co-auteure de l’étude. « Nous n’avons pas d’autre moyen d’étudier directement ces embryons planétaires car ils sont trop petits. »
De leur échantillon, environ un tiers est riche en silice, ce qui suggère que ces disques sont produits par des impacts à haute énergie entre des corps de la taille de Mars où une part significative du matériau est vaporisée. Les deux tiers restants de leur échantillon sont pauvres en silice, ce qui indique que les collisions se produisent à plus petite échelle, comme le rasage, entre des objets de la taille de la Lune. Les disques riches en silice ne se trouvent qu’autour d’étoiles de plus de 300 millions d’années, tandis que les disques pauvres en silice persistent sur une large plage d’âges et présentent souvent une plus grande variabilité de la luminosité. L’équipe propose que cette variabilité est due à l’évolution rapide des débris frais par des changements orbitaux et des impacts supplémentaires.
Leurs découvertes peuvent être appliquées à notre propre système solaire, qui a peut-être connu plus d’une phase extrême de disque de débris.
« La formation des planètes rocheuses et l’évolution des planètes géantes font partie de l’histoire plus large de la formation du système solaire. Tout n’est qu’une seule histoire », a déclaré Su. « Notre travail sur les disques de débris extrêmes nous aide à rassembler la vue d’ensemble de ce que nous comprenons actuellement. »
Les simulations suggèrent que les planètes terrestres, comme la Terre, devraient se former dans les premiers centaines de millions d’années suivant la formation d’un système solaire. Cette période correspond aux âges des disques de débris extrêmes riches en silice observés jusqu’à présent et correspond à l’estimation selon laquelle la Terre et la Lune se sont formées environ 100 millions d’années après la formation du Soleil, la Lune étant probablement le résultat d’une collision entre la Terre et un objet de la taille de Mars.
Quant à savoir si notre Soleil a subi une phase extrême de disque pauvre en silice, si les disques plus anciens pauvres en silice et leurs intervalles aléatoires de luminosité infrarouge reflètent une instabilité orbitale, cela serait globalement cohérent avec l’hypothèse du bombardement lourd tardif pour notre système solaire. Dans ce scénario, les planètes géantes gazeuses ont migré sur des distances significatives, perturbant gravitationnellement les orbites de corps plus petits et déclenchant des collisions catastrophiques qui ont généré les phases éphémères riches en poussière observées dans les disques de débris extrêmes.
« Bien sûr, il y a encore beaucoup de choses que nous ignorons sur ces disques », a déclaré Attila Moor de l’Observatoire Konkoly, coauteur de l’étude. « Nous ne nous attendons pas à la présence de systèmes riches en silice parmi les anciens disques de débris extrêmes. Nous n’avons que trois disques dans notre échantillon qui répondent à ces critères d’âge, donc il sera agréable d’observer davantage de ces systèmes pour confirmer notre hypothèse. »
Le télescope spatial James Webb est le principal observatoire scientifique spatial au monde. Webb résout des mystères dans notre système solaire, regarde au-delà vers des mondes lointains autour d’autres étoiles, et explore les structures mystérieuses et les origines de notre univers ainsi que notre place en son sein. Webb est un programme international dirigé par la NASA avec ses partenaires, l’ESA (Agence spatiale européenne) et la CSA (Agence spatiale canadienne).
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Source: NASA · Communiqué original
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