Depuis des décennies, les astronomes se sont interrogés sur la source exacte d'un type particulier de faible lumière micro-ondes émanant d'un certain nombre de régions de la Voie lactée. Connue sous le nom d'émission anormale de micro-ondes (AME), cette lumière provient de l'énergie libérée par des nanoparticules en rotation rapide, des morceaux de matière si petits qu'ils défient la détection par les microscopes ordinaires. (La période sur une page imprimée moyenne est d'environ 500, 000 nanomètres de diamètre.)

"Bien que nous sachions qu'un certain type de particule est responsable de cette lumière micro-ondes, sa source précise est un casse-tête depuis sa détection il y a près de 20 ans, " a déclaré Jane Greaves, astronome à l'Université de Cardiff au Pays de Galles et auteur principal d'un article annonçant ce résultat en Astronomie de la nature .

Jusqu'à maintenant, on pensait que le coupable le plus probable de cette émission de micro-ondes était une classe de molécules organiques connues sous le nom d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) - des molécules à base de carbone trouvées dans tout l'espace interstellaire et reconnues par les distincts, mais une faible lumière infrarouge (IR) qu'ils émettent. Nanodiamants - en particulier les nanodiamants hydrogénés, ceux hérissés de molécules contenant de l'hydrogène sur leurs surfaces émettent également naturellement dans la partie infrarouge du spectre, mais à une longueur d'onde différente.

Une série d'observations avec le Green Bank Telescope (GBT) de la National Science Foundation en Virginie-Occidentale et l'Australian Telescope Compact Array (ATCA) a pour la première fois ciblé trois sources claires de lumière AME, les disques protoplanétaires entourant les jeunes étoiles connues sous le nom de V892 Tau, HD 97048, et MWC 297. Le GBT a observé V892 Tau et l'ATCA a observé les deux autres systèmes.

"Il s'agit de la première détection claire d'émissions anormales de micro-ondes provenant de disques protoplanétaires, " a déclaré David Frayer, coauteur de l'article et astronome de l'observatoire de Green Bank.

Les astronomes notent également que la lumière infrarouge provenant de ces systèmes correspond à la signature unique des nanodiamants. D'autres disques protoplanétaires tout au long de la Voie lactée, cependant, ont la signature infrarouge claire des HAP mais ne montrent aucun signe de la lumière AME.

Cela suggère fortement que les HAP ne sont pas la source mystérieuse de rayonnement micro-ondes anormal, comme le pensaient autrefois les astronomes. Plutôt, nanodiamants hydrogénés, qui se forment naturellement au sein des disques protoplanétaires et se trouvent dans les météorites sur Terre, sont la source la plus probable de lumière AME dans notre galaxie.

"Dans une méthode à la Sherlock Holmes pour éliminer toutes les autres causes, nous pouvons affirmer avec confiance que le meilleur candidat capable de produire cette lueur micro-onde est la présence de nanodiamants autour de ces étoiles nouvellement formées, " a déclaré Greaves. Sur la base de leurs observations, les astronomes estiment que jusqu'à 1 à 2% du carbone total dans ces disques protoplanétaires a servi à former des nanodiamants.

Les preuves de nanodiamants dans les disques protoplanétaires se sont multipliées au cours des dernières décennies. C'est, cependant, la première connexion claire entre les nanodiamants et l'AME dans n'importe quel contexte.

Les modèles statistiques soutiennent également fortement l'hypothèse selon laquelle les nanodiamants sont abondants autour des étoiles naissantes et sont responsables de l'émission anormale de micro-ondes qui s'y trouve. "Il y en a un sur 10, 000 chances, ou moins, que ce lien est dû au hasard, " dit Frayer.

Pour leurs recherches, les astronomes ont utilisé le GBT et l'ATCA pour étudier 14 jeunes étoiles à travers la Voie lactée à la recherche d'indices d'émission anormale de micro-ondes. AME a été clairement vu dans 3 des 14 étoiles, qui sont également les 3 seules étoiles sur les 14 qui montrent la signature spectrale IR des nanodiamants hydrogénés. "En réalité, c'est si rare, " note Greaves, "aucune autre jeune étoile n'a l'empreinte infrarouge confirmée."

Cette détection a des implications intéressantes pour l'étude de la cosmologie et la recherche de preuves que notre univers a commencé avec une période d'inflation. Si immédiatement après le Big Bang, notre univers a grandi à un rythme qui dépassait largement la vitesse de la lumière, une trace de cette période d'inflation devrait être vue dans une polarisation particulière du fond diffus cosmologique. Bien que cette signature de polarisation n'ait pas encore été détectée de manière concluante, le travail de Greaves et de ses collègues laisse espérer qu'il pourrait en être ainsi.

"C'est une bonne nouvelle pour ceux qui étudient la polarisation du fond diffus cosmologique, puisque le signal de la filature des nanodiamants serait au mieux faiblement polarisé, " a déclaré Brian Mason, astronome à l'Observatoire national de radioastronomie et coauteur de l'article. "Cela signifie que les astronomes peuvent désormais créer de meilleurs modèles de la lumière micro-ondes de premier plan de notre galaxie, qui doit être retiré pour étudier la rémanence lointaine du Big Bang."

Les nanodiamants se forment probablement à partir d'une vapeur surchauffée d'atomes de carbone dans des régions de formation d'étoiles à haute énergie. Ce n'est pas sans rappeler les méthodes industrielles de création de nanodiamants sur Terre.

En astronomie, Les nanodiamants sont spéciaux en ce que leur structure produit ce qu'on appelle un "moment dipolaire—un arrangement d'atomes qui leur permet d'émettre un rayonnement électromagnétique lorsqu'ils tournent. Parce que ces particules sont si petites—plus petites que les particules de poussière normales dans un disque protoplanétaire—elles sont capables de tourner exceptionnellement vite, émettant un rayonnement dans le domaine des micro-ondes plutôt que dans le domaine des longueurs d'onde du mètre, où le rayonnement galactique et intergalactique le noierait probablement.

"C'est une résolution cool et inattendue du puzzle du rayonnement micro-ondes anormal, " a conclu Greaves. " C'est encore plus intéressant qu'il ait été obtenu en regardant des disques protoplanétaires, faire la lumière sur les caractéristiques chimiques des premiers systèmes solaires, y compris le nôtre."

"C'est un résultat passionnant, " a conclu la co-auteur Anna Scaife de l'Université de Manchester. " Ce n'est pas souvent que vous vous retrouvez à mettre de nouveaux mots sur des airs célèbres, mais « AME in the Sky with Diamonds » semble une manière réfléchie de résumer nos recherches. »

Futurs instruments à ondes centimétriques, comme les récepteurs Band 1 prévus sur ALMA et le Next Generation Very Large Array, pourra étudier ce phénomène beaucoup plus en détail. Maintenant qu'il existe un modèle physique et, pour la première fois, une signature spectrale claire, les astronomes s'attendent à ce que notre compréhension s'améliore rapidement.