Des chercheurs de l'Université de l'Arizona ont détecté des molécules organiques dans des nébuleuses planétaires, les séquelles des étoiles mourantes, et aux confins de la Voie Lactée, qui ont été jugés trop froids et trop éloignés du centre galactique pour supporter de telles chimies. Ils présentent leurs découvertes à la 238e réunion de l'American Astronomical Society, ou AAS, virtuellement du 7 au 9 juin.

Une équipe dirigée par Lucy Ziurys de l'Université de l'Arizona rapporte des observations de molécules organiques dans des nébuleuses planétaires avec des détails et une résolution spatiale sans précédent. En utilisant le grand réseau millimétrique d'Atacama, ou ALMA, Ziurys et son équipe ont observé des émissions radio de cyanure d'hydrogène (HCN), ion formyle (HCO ⁺ ) et du monoxyde de carbone (CO) dans cinq nébuleuses planétaires :M2-48, M1-7, M3-28, K3-45 et K3-58.

On a découvert que l'émission de ces molécules dessinait les formes des nébuleuses planétaires, qui auparavant n'était observée qu'en lumière visible. Dans certains cas, les signatures moléculaires ont révélé des caractéristiques inédites. La haute résolution d'une seconde d'arc, équivalent à un centime vu à 2,5 miles de distance, a donné lieu à des images saisissantes des nébuleuses, montrant clairement les géométries complexes du dense, matériau éjecté avec des barres, lobes et arcs jamais clairement observés auparavant.

Les nébuleuses planétaires sont des objets brillants, produites lorsque les étoiles d'un certain type atteignent la fin de leur évolution. La plupart des étoiles de notre galaxie, y compris le soleil, devraient mettre fin à leurs jours de cette façon. Alors que l'étoile mourante perd de grandes quantités de sa masse dans l'espace et devient une naine blanche, il émet généralement un fort rayonnement ultraviolet. On a longtemps pensé que ce rayonnement brisait toutes les molécules lancées dans le milieu interstellaire par l'étoile mourante et les réduisait en atomes.

La détection de molécules organiques dans les nébuleuses planétaires ces dernières années a montré que ce n'est pas le cas, cependant, et les observations présentées ici soutiennent davantage l'idée que les nébuleuses planétaires servent de sources critiques qui ensemencent le milieu interstellaire avec des molécules qui servent d'ingrédients bruts dans la formation de nouvelles étoiles et planètes. On pense que les nébuleuses planétaires fournissent 90 % de la matière dans le milieu interstellaire, avec des supernovae ajoutant les 10% restants.

"On pensait que les nuages ​​moléculaires qui donneraient naissance à de nouveaux systèmes stellaires devraient repartir de zéro et former ces molécules à partir d'atomes, " dit Ziurys, un professeur de chimie et d'astronomie du Regent à UArizona. "Mais si le processus commence avec des molécules à la place, cela pourrait considérablement accélérer l'évolution chimique dans les systèmes stellaires naissants."

Ziurys et son équipe pensent que le comportement de changement de forme dans la géométrie des nébuleuses peut être provoqué par certains processus impliqués dans la nucléosynthèse, en d'autres termes, le forgeage de nouveaux éléments à l'intérieur d'une étoile.

"Il nous dit que dans une étoile mourante, qui est sphérique jusqu'à sa phase finale, une dynamique très intéressante se produit une fois qu'il passe par l'étape de la nébuleuse planétaire, qui change cette forme sphérique, " dit Ziurys. " Ces étoiles perdent juste leur masse, et donc il n'y a vraiment aucun mécanisme pour qu'ils deviennent tout d'un coup bipolaires ou même quadrupolaires."

Selon les chercheurs, une explication possible pourrait être les éclairs d'hélium, qui proviennent d'un chaud, enveloppe convective autour du noyau d'une étoile mourante et pourrait éventuellement fournir une source de synthèse nucléaire explosive loin du centre de l'étoile, résultant en les formes très complexes observées dans certaines nébuleuses.

"Cela pourrait probablement déformer la forme sphérique car un éclair d'hélium peut exploser à travers les pôles d'une étoile, où il sera dirigé par des champs magnétiques, et cela aura un effet sur la forme de la nébuleuse qui se formera autour d'elle, " elle a dit.

Selon Ziurys, de nombreuses nébuleuses planétaires sont une énigme, car elles ont évolué à partir d'étoiles sphériques mais ont ensuite donné naissance à des structures bipolaires voire quadripolaires.

"Cela a été un casse-tête pour les astronomes de savoir comment passer d'une géométrie sphérique à ces géométries multipolaires, " dit-elle. " Les molécules que nous avons observées tracent magnifiquement les géométries polaires, et donc nous espérons que cela va nous donner un aperçu de la formation des nébuleuses planétaires."

Dans une seconde présentation, Lilia Koelemay, doctorant dans l'équipe de recherche de Ziurys, rendra compte de la découverte de molécules organiques aux abords de la Voie lactée, plus de deux fois plus loin du centre galactique que ce qu'on appelle la zone habitable galactique, ou GHZ.

Le GHZ de la Voie Lactée, qui comprend le système solaire, est une région considérée comme ayant des conditions favorables à la formation de la vie. On pense qu'il s'étend jusqu'à 10 kiloparsecs seulement, ou environ 32, 600 années-lumière, du centre galactique.

En utilisant le télescope de 12 mètres UArizona ARO sur Kitt Peak près de Tucson, Arizona, Koelemay, Ziurys et son équipe ont recherché 20 nuages ​​moléculaires dans les bras Cygnus de la Voie lactée pour les spectres d'émission de signature de méthanol, une molécule organique de base. À seulement 20 Kelvin, ces nuages ​​sont typiquement extrêmement froids et éloignés du centre galactique, à une distance de 13 à 23,5 kiloparsecs. L'équipe a détecté du méthanol dans les 20 nuages.

Selon Koelemay, la détection de ces molécules organiques au bord galactique peut impliquer que la chimie organique est encore répandue aux confins de la galaxie, et la GHZ peut s'étendre beaucoup plus loin du centre galactique que la limite actuellement établie.

"Les scientifiques s'interrogent depuis longtemps sur l'étendue de la chimie organique dans notre galaxie, et on a toujours pensé que pas trop loin au-delà de notre soleil, nous n'allons pas voir beaucoup de molécules organiques, " a déclaré Koelemay. " L'hypothèse largement répandue était que dans la périphérie de notre galaxie, la chimie nécessaire pour former des matières organiques ne se produit tout simplement pas. "

Cette conclusion était en partie basée sur la prétendue pénurie de molécules organiques dans les confins de la galaxie, selon les chercheurs. La notion de zone habitable galactique est basée sur l'idée que pour que des conditions habitables existent où la vie puisse évoluer, un système planétaire ne peut pas être trop proche du centre galactique avec sa densité d'étoiles extrêmement élevée et son rayonnement intense, et ça ne doit pas être trop loin, car il n'y aurait pas assez d'éléments critiques pour la vie, comme l'oxygène, carbone et azote.

Les observations ont été rendues possibles par un nouveau récepteur de longueur d'onde de 2 millimètres avec une sensibilité sans précédent. Développé en collaboration entre Ziurys, Gene Lauria, un ingénieur à Steward Observatory, et l'Observatoire national de radioastronomie, le récepteur permet la détection de raies d'émission moléculaire dans une largeur de bande de longueur d'onde à laquelle les radioastronomes américains n'ont pas pu accéder pendant de nombreuses années.

« Sans ce nouvel instrument, ces observations auraient pris des centaines d'heures, ce qui n'est pas faisable, " a déclaré Ziurys. " Avec cette nouvelle capacité, nous prévoyons d'ouvrir considérablement notre fenêtre d'observation et de détecter des molécules dans d'autres régions de notre galaxie que l'on pensait auparavant dépourvues d'une telle chimie."

Récemment, Koelemay a commencé à chercher d'autres molécules que le méthanol, comme le cyanure de méthyle, molécules organiques avec des structures cycliques et d'autres qui contiennent des groupes fonctionnels connus pour être des éléments constitutifs cruciaux pour les biomolécules. Les découvertes de ces molécules dans le milieu interstellaire ont suscité beaucoup d'intérêt, car de nombreux chercheurs les considèrent comme des candidats prometteurs pour l'émergence de la vie. Lorsque des molécules organiques sont présentes dans les systèmes planétaires émergents, ils peuvent se condenser à la surface des astéroïdes, qui les livrent ensuite aux planètes naissantes, où ils pourraient potentiellement relancer l'évolution de la vie.

"Nous trouvons ces espèces à la périphérie de la galaxie, et l'abondance ne baisse même pas de 10 kiloparsecs du système solaire, où l'on ne croyait pas que la chimie nécessaire à la construction des molécules nécessaires à la vie se produisait, " dit Ziurys, conseiller de Koelemay et co-auteur du rapport. "Le fait qu'elles soient là élargit les perspectives de formation de planètes habitables bien au-delà de ce qui a été considéré comme la zone habitable est extrêmement excitant."