Une pépinière stellaire animée dans la pittoresque nébuleuse d'Orion sera un sujet d'étude pour le télescope spatial James Webb de la NASA, lancement prévu en 2021. Une équipe dirigée par Mark McCaughrean, le scientifique interdisciplinaire Webb pour la formation des étoiles, étudiera une région interne de la nébuleuse appelée l'amas du trapèze. Cet amas abrite un millier d'étoiles jeunes, tous entassés dans un espace de seulement 4 années-lumière de diamètre, à peu près à la distance de notre Soleil à Alpha Centauri.

"C'est un endroit où il y a beaucoup de très jeunes étoiles qui ont environ un million d'années, " a expliqué McCaughrean, qui est également le conseiller principal de l'Agence spatiale européenne pour la science et l'exploration. "Un million d'années peut ne pas sembler très jeune, mais si notre système solaire était une personne d'âge moyen, les étoiles de cet amas ne sont que des bébés, trois ou quatre jours. Il se passe donc toutes sortes de choses intéressantes avec eux que nous ne voyons pas dans les étoiles plus âgées qui nous entourent aujourd'hui. Nous sommes très intéressés à comprendre comment les étoiles et leurs systèmes planétaires se développent aux tout premiers stades."

Pourquoi la nébuleuse d'Orion ? "Orion est la région de formation d'étoiles massives la plus proche du Soleil, " a déclaré McCaughrean. " Il y a des endroits plus proches du Soleil qui ont des jeunes, étoiles de faible masse, mais il n'y en a aucun plus proche qui a à la fois de grandes étoiles et les plus petits objets."

McCaughrean et son équipe étudieront trois phénomènes intéressants dans l'amas du trapèze. D'abord, ils étudieront la répartition des masses d'objets jeunes dans cet amas. Prochain, ils examineront les toutes premières phases de la formation des planètes autour des jeunes étoiles de l'amas. Finalement, l'équipe étudiera la matière que beaucoup de jeunes étoiles éjectent dans les jets et les écoulements. Les observations font partie d'un programme d'observations en temps garanti (GTO) accordé à McCaughrean en raison de son rôle de scientifique interdisciplinaire Webb.

Tri des étoiles et autres objets jeunes

En plus d'examiner les jeunes étoiles de l'amas, les scientifiques examineront des corps avec des masses sous les étoiles, appelées naines brunes. Ce sont des objets qui se forment comme des étoiles via l'effondrement gravitationnel de nuages ​​de gaz et de poussière, mais parce qu'ils n'ont pas assez de matériel, ils ne développent jamais les températures et les pressions en leurs centres nécessaires à la fusion de l'hydrogène.

Ils enquêteront également sur des objets plus petits, équivalent en masse à Jupiter ou même à Saturne. Appelé "flottant, objets de masse planétaire, " elles ne sont pas en orbite autour d'une étoile. La question reste ouverte de savoir si elles se forment de la même manière que les autres planètes, en accrétant du gaz et de la poussière d'un disque protoplanétaire laissé par la formation d'étoiles.

Un tel objet s'est-il formé à l'origine comme une planète autour d'une étoile, ou s'est-il formé à partir du même gaz et de la même poussière que les étoiles se sont formées, tout seul ? McCaughrean et son équipe tentent de répondre à cette question. "Pouvons-nous trouver une sorte de caractéristiques que présentent ces objets de masse extrêmement faible pour nous aider à déterminer s'ils se sont formés de manière isolée, ou plutôt se sont en fait formées comme des planètes en orbite autour d'étoiles, et j'ai été expulsé dans une sorte d'interaction ?"

Les scientifiques utiliseront des images Webb multicolores pour trouver des objets jusqu'à des masses très faibles, puis examineront le nombre de ces objets dans différentes catégories de masse, par exemple, combien sont comme le Soleil ; combien font un dixième de la masse du Soleil ; et combien font un centième de la masse du Soleil. Ils utiliseront également Webb pour analyser leurs atmosphères. Cette information en dira beaucoup aux chercheurs sur la façon dont ces corps ont dû se former et comment ils évolueront en vieillissant.

Étudier les silhouettes

Certaines étoiles nouveau-nées dans cette pépinière sont entourées de disques de gaz et de poussière qui apparaissent comme des silhouettes contre la nébuleuse lumineuse. Les astronomes pensent que des planètes devraient commencer à se former à l'intérieur de ces disques. McCaughrean et son équipe utiliseront la haute résolution de Webb, l'imagerie infrarouge pour mesurer la taille de ces disques. En les comparant avec des images visibles réalisées avec le télescope spatial Hubble, l'équipe apprendra la composition de la poussière, qui les aidera à comprendre les toutes premières phases de la formation des planètes.

Enquête sur les jets et les flux sortants

Alors que les jeunes étoiles rassemblent de la matière à partir du gaz et de la poussière qui les entourent, la plupart éjectent également une fraction de ce matériau hors de leurs régions polaires sous forme de jets et d'écoulements. Ce processus fait partie intégrante de la formation des étoiles. Parce que la nébuleuse d'Orion en abrite beaucoup, beaucoup de jeunes stars, il y a beaucoup de jets et d'exutoires dans la région, à la fois grand et petit. L'équipe utilisera Webb pour mesurer les structures fines de ces écoulements et déterminer leurs vitesses, ainsi que d'évaluer leur rétroaction cumulative sur les nuages ​​environnants de formation d'étoiles.

Pourquoi Webb ?

Quand les étoiles sont très jeunes, ils sont entourés du gaz et de la poussière dont ils sont faits. La poussière absorbe la lumière de longueur d'onde visible et cache les étoiles derrière un écran opaque. Mais la lumière à grande longueur d'onde peut pénétrer la poussière, et donc même si les astronomes sont incapables de voir les étoiles en lumière visible, ils sont souvent encore détectables dans l'infrarouge.

Aussi, lorsque les objets sont jeunes et encore en formation, ils ne deviennent pas particulièrement chauds. Cela signifie qu'ils ne brillent pas intensément dans les longueurs d'onde visibles, mais émettent à la place la plupart de leur lumière dans l'infrarouge. Des études infrarouges utilisant des télescopes au sol ont montré qu'il y avait de nombreuses naines brunes dans l'amas du trapèze, mais ils n'ont pas pu trouver de jeunes objets au-dessous de la masse d'environ trois Jupiters. Il y a deux raisons à cela.

D'abord, l'atmosphère terrestre entre le sol et les objets étudiés brille vivement dans l'infrarouge. "Dans un sens, c'est un peu comme essayer de faire de l'astronomie en longueur d'onde visible pendant la journée, " a expliqué McCaughrean. " Vous pouvez voir des choses relativement brillantes contre cette lueur, mais vous ne pouvez pas voir des choses très faibles. Webb sera au-dessus de l'atmosphère rougeoyante de la Terre et le rendra possible."

La deuxième raison est que, contrairement aux télescopes au sol, Webb lui-même sera très froid. « Les êtres humains sont chauds et brillent dans l'infrarouge ; les télescopes au sol brillent également dans l'infrarouge, " dit McCaughrean. " Alors, quand vous arrivez à ces cool, objets de la masse de trois Jupiter, presque toute la lumière sort à des longueurs d'onde assez longues où le télescope lui-même brille très fort. Dans l'espace, vous pouvez refroidir un télescope jusqu'à un point où il ne brille plus du tout dans ces longueurs d'onde. Et cela signifie que tout d'un coup vous devriez pouvoir voir toutes ces nouveautés, très faible, objets jeunes de très faible masse, des choses que vous ne verrez jamais depuis le sol."

Webb, une puissante, télescope spatial infrarouge, sera ainsi le seul à pouvoir étudier ces jeunes étoiles, naines brunes, et les objets de masse planétaire flottant librement, ainsi que leurs disques protoplanétaires, jets, et sorties, dans des régions comme la nébuleuse d'Orion.

Le télescope spatial James Webb sera le premier observatoire mondial des sciences spatiales lors de son lancement en 2021. Webb résoudra les mystères de notre système solaire, regarder au-delà des mondes lointains autour d'autres étoiles, et sonder les structures et les origines mystérieuses de notre univers et notre place dans celui-ci. Webb est un programme international mené par la NASA avec ses partenaires, ESA (Agence spatiale européenne) et l'Agence spatiale canadienne.