Pendant près de quatre ans d'observation du cosmos, l'observatoire spatial Herschel a retracé la présence d'eau. Avec sa sensibilité et sa résolution spectrale sans précédent aux longueurs d'onde clés, Herschel a révélé cette molécule cruciale dans les nuages ​​moléculaires formant des étoiles, l'a détecté pour la première fois dans les graines des futures étoiles et planètes, et identifié la livraison de l'eau des débris interplanétaires aux planètes de notre système solaire.

L'eau est essentielle à la vie telle que nous la connaissons sur Terre. Il couvre plus de 70 pour cent de la surface de notre planète et est présent à l'état de traces dans l'atmosphère. Bien que cela puisse sembler abondant, surtout si nous regardons l'étendue bleutée d'un lac, mer ou océan, l'eau n'est qu'une composante mineure de la masse totale de la Terre.

En réalité, il n'est pas du tout clair si l'eau qui est actuellement présente sur notre planète bleue était là à l'époque de sa formation, Il y a 4,6 milliards d'années, ou il a été délivré par des impacts ultérieurs d'objets célestes plus petits.

Selon l'une des principales théories expliquant comment le système solaire est né, La Terre et les planètes intérieures ont été extrêmement chaudes et sèches pendant les premières centaines de millions d'années après leur formation. Dans ce scénario, l'eau n'a été livrée à ces planètes que plus tard par des impacts violents de petits corps tels que des météorites, astéroïdes, et/ou comètes – les débris restants du disque protoplanétaire à partir desquels les planètes et leurs lunes ont pris forme.

Il existe différentes pistes pour enquêter sur l'origine de cette molécule cruciale sur notre planète, soit en suivant les indices dans notre voisinage cosmique – le système solaire – soit en regardant dans les pépinières stellaires où naissent des analogues de notre soleil et de nos planètes.

Observatoire spatial Herschel de l'ESA, une mission extraordinaire qui a été lancée en 2009 et qui a observé le ciel dans l'infrarouge lointain et le submillimétrique pendant près de quatre ans, a adopté une approche globale, tracer l'eau des étoiles et des planètes en formation à travers notre galaxie de la Voie lactée jusqu'aux planètes et aux corps mineurs du système solaire dans notre propre coin de bois.

L'eau dans l'univers

L'eau a été détectée pour la première fois dans les nuages ​​moléculaires stellaires à la fin des années 1960. À l'époque, c'était la sixième molécule interstellaire à être identifiée, contre près de 200 connus à ce jour.

Depuis sa découverte, les astronomes soupçonnaient que l'eau serait présente dans une variété d'environnements cosmiques. Après tout, il est composé des deux éléments réactifs les plus abondants qui existent - l'hydrogène, qui remonte au Big Bang, et de l'oxygène, produites dans les fours des étoiles tout au long de l'histoire de l'Univers.

En réalité, l'eau a été observée dans des objets célestes aussi divers que des planètes, lunes, étoiles, nuages ​​en formation d'étoiles, et même au-delà de notre Voie Lactée, dans les berceaux stellaires d'autres galaxies. Cependant, en raison de la vapeur d'eau présente dans l'atmosphère terrestre, étudier cette molécule avec des observations astronomiques est tout sauf trivial.

Au cours des décennies, les astronomes ont utilisé un large éventail d'installations pour étudier l'eau dans le cosmos, des observatoires au sol dans le climat sec des sommets des montagnes et des télescopes aéroportés aux expériences sur les ballons stratosphériques et les observatoires spatiaux et même sur la navette spatiale. Loin de l'environnement humide de notre planète, un télescope spatial est bien sûr l'outil idéal pour étudier l'eau cosmique.

Le premier satellite dédié à ce sujet, L'Observatoire Spatial Infrarouge (ISO) de l'ESA, a été lancé en 1995 et exploité jusqu'en 1998, peu de temps après le satellite d'astronomie à ondes submillimétriques (SWAS) et le télescope spatial Spitzer de la NASA, et par la direction suédoise, satellite international Odin.

S'inscrivant dans cette tradition établie de longue date, Herschel a poussé la quête de l'eau cosmique vers de nouveaux sommets avec un matériel phénoménal, l'instrument hétérodyne pour l'infrarouge lointain (HIFI) - l'un des trois instruments à bord.

Pour révéler la présence d'une molécule dans une source cosmique, les astronomes recherchent un ensemble d'empreintes digitales très distinctives, ou des lignes, dans le spectre de la source, qui sont causées par des transitions de rotation ou de vibration dans la structure de la molécule.

Ces raies sont observées dans un tronçon du spectre électromagnétique, couvrant les longueurs d'onde de l'infrarouge aux micro-ondes, selon le type de molécule et sa température. Dans le cas de l'eau, certaines des raies les plus intéressantes – celles qui correspondent à la configuration énergétique la plus basse de la vapeur d'eau, en d'autres termes son état fondamental ou "froid" - se trouvent dans les gammes infrarouge lointain et submillimétrique, qui sont inaccessibles depuis le sol.

Spécialement conçu pour la chasse à l'eau et autres molécules, L'instrument HIFI de Herschel avait une résolution spectrale sans précédent qui pouvait cibler environ 40 lignes d'eau différentes, chacune provenant d'une transition différente de la molécule d'eau et donc sensible à une température différente.

En particulier, contrairement à ses prédécesseurs, Herschel était sensible à deux transitions différentes de l'état fondamental de l'eau qui correspondent aux deux formes « spin » de la molécule, appelé ortho et para, dans lequel les spins des noyaux d'hydrogène ont des orientations différentes. Cette caractéristique clé a permis aux astronomes de déterminer les températures sous lesquelles l'eau s'est formée en comparant les quantités relatives d'eau ortho et para.

Deux des programmes clés de l'observatoire – l'eau dans les régions de formation d'étoiles avec Herschel et l'eau et la chimie associée dans le système solaire – ont consacré plusieurs centaines d'heures à la quête de l'eau cosmique.

Exploiter les données exceptionnelles collectées par HIFI, ainsi que des observations effectuées avec les deux autres instruments de Herschel, le Photodetector Array Camera and Spectrometer (PACS) et le Spectral and Photometric Imaging Receiver (SPIRE), les astronomes ont pu élargir considérablement notre compréhension du rôle de l'eau dans l'Univers.

L'eau dans les ancêtres des étoiles et des planètes

Alors que la vapeur d'eau dans les régions de formation d'étoiles était connue depuis un certain temps, Herschel l'a découvert, pour la première fois, dans un noyau pré-stellaire - un morceau froid de matériau dense qui se transformera plus tard en étoile. Le noyau pré-stellaire, appelé Lynds 1544, est situé dans le nuage moléculaire Taurus, une vaste région de gaz et de poussière qui incube les graines des futures étoiles et planètes.

Avec les données Herschel, les astronomes pourraient également estimer la quantité de vapeur d'eau dans Lynds 1544 - l'équivalent de plus de 2000 fois la teneur en eau des océans de la Terre. La vapeur d'eau provient de grains de poussière glacés, faisant allusion à un réservoir de plus de mille fois plus d'eau sous forme de glace. Si des planètes devaient émerger autour de l'étoile prenant forme à partir de ce noyau, il est probable qu'une partie de l'eau détectée par Herschel trouve également son chemin vers les planètes.

En route pour devenir des stars, les noyaux pré-stellaires continuent d'accréter de la matière de leur nuage parent jusqu'à ce qu'ils s'en séparent, se transformer en protoétoile, un objet indépendant qui s'effondre sous sa propre gravité. Normalement, un disque tournant de gaz et de poussière – un disque protoplanétaire – prend forme autour des protoétoiles, fournir le matériel pour la formation des futures planètes. Finalement, lorsque des réactions nucléaires s'enflamment dans le cœur de la protoétoile, contrecarrer l'effondrement, une étoile à part entière est née.

Herschel a repéré de l'eau dans des objets couvrant toutes les étapes de la formation des étoiles, y compris dans un grand nombre de protoétoiles de faible masse trouvées dans de nombreuses régions de formation d'étoiles à proximité.

Pour la première fois, des astronomes utilisant Herschel ont détecté de la vapeur d'eau froide dans un disque protoplanétaire. Alors que des études précédentes avaient révélé soit de la vapeur d'eau chaude dans la partie interne de disques similaires, ou de la glace d'eau dans leur périphérie, Les observations de Herschel ciblant le disque autour de la jeune étoile voisine TW Hydrae ont été les premières à identifier de la vapeur d'eau froide, avec des températures inférieures à 100 K, dans un tel objet.

La vapeur froide semble se situer en couche mince à des profondeurs intermédiaires dans le disque, où l'évaporation du gaz et le gel de la glace trouvent un équilibre. Les données indiquent une petite quantité de vapeur froide, équivalent à environ 0,5 % de l'eau des océans de la Terre, mais pointez vers un réservoir de glace d'eau beaucoup plus grand - plusieurs milliers d'océans terrestres - dans le disque.

Ce fut la première preuve que de grandes quantités de glace d'eau peuvent être stockées dans le précurseur d'un système planétaire comme le nôtre, apportant ainsi plus de preuves pour résoudre le casse-tête de l'origine de l'eau sur Terre et sur d'autres planètes.

L'eau dans le système solaire

En plus de prouver que l'eau est un constituant important des étoiles et des planètes depuis leur formation précoce, Herschel a également suivi sa piste jusqu'à notre quartier local, le système solaire.

Pour comparer l'eau trouvée dans différents corps célestes, les astronomes analysent l'abondance relative de molécules de composition légèrement différente. Notamment, ils regardent le rapport D/H, comparer l'eau « ordinaire », composé de deux atomes d'hydrogène (H) et d'un oxygène (O), et eau semi-lourde, où l'un des atomes d'hydrogène apparaît sous la forme de deutérium (D), une forme isotopique avec un neutron supplémentaire.

Avant Herschel, cette mesure avait été effectuée sur une poignée de comètes, tous pensés pour provenir du nuage d'Oort à la périphérie de notre système solaire, et tous révélant des proportions plus élevées de deutérium par rapport à l'hydrogène «normal» que celui trouvé dans les océans de la Terre. Ces résultats semblaient suggérer que les comètes - les restes glacés de notre ancien disque protoplanétaire - n'auraient pas pu être la source de l'eau de notre planète, tandis qu'une classe spécifique de météorites, appelées chondrites carbonées Cl, possédait le « bon » rapport D/H et semblait donc être le principal coupable.

En 2011, Les observations de Herschel sur l'eau dans la comète 103P/Hartley 2 ont rouvert ce débat passionnant. Cette mesure était la première du genre réalisée pour une comète de la famille Jupiter - une classe de comètes avec des orbites régies par la gravité de Jupiter et avec une période beaucoup plus courte par rapport à leurs homologues du nuage d'Oort - et a révélé, pour la première fois, eau avec une proportion de deutérium à hydrogène similaire à celle trouvée sur notre planète.

Herschel a apporté deux autres observations au débat, trouver une comète de la famille Jupiter (45P/Honda-Mrkos- Pajdušáková) avec de l'eau semblable à la Terre, et une comète du nuage d'Oort (2009P1) avec un mélange différent de celui de l'eau de notre planète.

L'intrigue s'est épaissie lorsque la mission Rosetta de l'ESA a atteint la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko en 2014 et a échantillonné la teneur en eau de son atmosphère. La comète de Rosetta est aussi une comète de la famille Jupiter mais, contrairement aux deux observés par Herschel, il ne contient pas d'eau semblable à la Terre ; au contraire, il s'est avéré avoir le rapport D/H le plus élevé jamais mesuré pour une comète.

Alors que Rosetta a révélé que toutes les comètes de la famille Jupiter ne contiennent pas une eau similaire à celle des océans de notre planète, Les détections antérieures de Herschel avaient souligné de manière importante que des comètes avec la bonne composition existent et que certaines pourraient en effet avoir contribué au bilan hydrique de la Terre. En réalité, les modèles actuels indiquent qu'un éventail large et diversifié de corps mineurs a contribué au rôle essentiel d'amener de l'eau sur notre planète.

Ailleurs dans le système solaire, Herschel est allé jusqu'à confirmer qu'au moins une comète a contribué à enrichir en eau une autre planète, Jupiter. En étudiant la répartition de la vapeur d'eau dans la stratosphère de la planète géante, les astronomes ont trouvé des preuves que presque tout cela a été délivré par le célèbre impact de la comète Shoemaker-Levy 9 en 1994.

En suivant l'eau dans tout le système solaire, Herschel a trouvé cette molécule dans de nombreux autres endroits, de la planète naine Cérès, le plus gros corps de la ceinture d'astéroïdes, à un tore géant de vapeur d'eau entourant Saturne, qui semble être fourni par la petite lune de la planète Encelade. Comme l'a révélé la mission NASA/ESA/ASI Cassini, Encelade expose des panaches d'eau puisés dans l'océan souterrain qui se cachent sous sa croûte glacée.

Plus loin du soleil, Herschel a révélé des surfaces hautement réfléchissantes sur plusieurs objets transneptuniens (TNO), indiquant que la glace d'eau pourrait être présente même sur ces anciens, objets distants. Alors que les TNO remontent à la formation précoce de notre système solaire, les astronomes soupçonnent que leur revêtement glacé brillant peut être plus récent - une hypothèse spéculative mais pas irréalisable étant donné la disponibilité de l'eau sur les planètes extérieures comme Uranus et Neptune, et sur leurs lunes principales. Un revêtement aussi récent pourrait également suggérer que la surface de ces objets "morts" longtemps pensés peut en fait être vivante, comme le soulignent également les observations in-situ réalisées en 2015 par la sonde New Horizon de la NASA d'un autre TNO, la planète naine Pluton.

Perspectives

À des échelles beaucoup plus grandes, au-delà de notre système solaire et des confins galactiques de la Voie lactée, Herschel a détecté de l'eau dans de nombreuses autres galaxies. Comme déjà souligné par certains de ses prédécesseurs, les découvertes corroborent le rôle crucial de cette molécule très importante dans les processus qui conduisent à la naissance des étoiles à travers le cosmos.

Compte tenu de sa composition chimique, l'eau est sans surprise omniprésente dans l'Univers, et, après Herschel, il ne fait plus aucun doute que les traînées d'eau cosmiques vont loin, des planètes aux étoiles, et même à l'immensité de l'espace interstellaire.

Cependant, Herschel a seulement commencé à gratter la surface de l'iceberg proverbial, avoir de l'eau tachetée dans des sources cosmiques individuelles qui sont, dans de nombreux cas, unique en son genre. Ces découvertes passionnantes appellent de futures enquêtes pour donner suite aux observations de Herschel, collecter de plus grands échantillons de chaque type de sources pour scruter l'eau et d'autres molécules et approfondir les mécanismes physiques qui sous-tendent leur formation et leur distribution à travers le cosmos.