Un disque de débris, qui comprend les comètes, astéroïdes, roches de différentes tailles, et beaucoup de poussière, en orbite autour de l'étoile Beta Pictoris, qui est bloqué au centre de cette image de 2012 par un coronographe à bord du télescope spatial Hubble. Il s'agit de la vue en lumière visible du système. Le télescope spatial James Webb de la NASA observera Beta Pictoris en lumière infrarouge, à la fois en utilisant ses coronographes et en capturant des données connues sous le nom de spectres pour permettre aux chercheurs d'en apprendre beaucoup plus sur le gaz et la poussière dans le disque de débris, qui comprend de nombreux corps plus petits comme les exocomètes. Crédit :NASA, ESA, et D. Apai et G. Schneider (Université de l'Arizona)
Les chercheurs utiliseront le prochain télescope spatial James Webb de la NASA pour étudier Beta Pictoris, un jeune système planétaire intrigant qui arbore au moins deux planètes, un fouillis de plus petits, corps rocheux, et un disque poussiéreux. Leurs objectifs incluent une meilleure compréhension des structures et des propriétés de la poussière pour mieux interpréter ce qui se passe dans le système. Comme il n'est qu'à environ 63 années-lumière et qu'il est plein de poussière, il apparaît brillant dans la lumière infrarouge, ce qui signifie qu'il y a beaucoup d'informations à collecter pour Webb.
Beta Pictoris est la cible de plusieurs programmes d'observation Webb prévus, dont un dirigé par Chris Stark du Goddard Space Flight Center de la NASA et deux dirigés par Christine Chen du Space Telescope Science Institute à Baltimore, Maryland. Le programme de Stark imagera directement le système après avoir bloqué la lumière de l'étoile pour recueillir une multitude de nouveaux détails sur sa poussière. Les programmes de Chen rassembleront des spectres, qui diffusent la lumière comme un arc-en-ciel pour révéler quels éléments sont présents. Les trois programmes d'observation ajouteront des détails critiques à ce que l'on sait de ce système voisin.
D'abord, un examen de ce que nous savons
Beta Pictoris a été régulièrement étudié en radio, infrarouge, et la lumière visible depuis les années 1980. L'étoile elle-même est deux fois plus massive que notre Soleil et un peu plus chaude, mais aussi nettement plus jeune. (Le Soleil a 4,6 milliards d'années, mais Beta Pictoris a environ 20 millions d'années.) À ce stade, l'étoile est stable et héberge au moins deux planètes, qui sont tous deux beaucoup plus massifs que Jupiter. Mais ce système planétaire est remarquable car c'est là que les premiers exocomètes (comètes dans d'autres systèmes) ont été découverts. Il y a pas mal de corps qui tournent autour de ce système !
Comme notre propre système solaire, Beta Pictoris a un disque de débris, qui comprend les comètes, astéroïdes, roches de différentes tailles, et beaucoup de poussière de toutes formes qui orbitent autour de l'étoile. (Un disque de débris est beaucoup plus jeune et peut être plus massif que la ceinture de Kuiper de notre système solaire, qui commence près de l'orbite de Neptune et d'où proviennent de nombreuses comètes à courte période.)
Cet anneau extérieur de poussière et de débris est également le lieu où se déroulent de nombreuses activités. Les cailloux et les rochers pourraient entrer en collision et se briser en morceaux beaucoup plus petits, envoyant beaucoup de poussière.
Scruter ce système planétaire
L'équipe de Stark utilisera les coronographes de Webb, qui bloquent la lumière de l'étoile, pour observer les parties faibles du disque de débris qui entourent l'ensemble du système. "Nous savons qu'il y a deux planètes massives autour de Beta Pictoris, et plus loin il y a une ceinture de petits corps qui se heurtent et se fragmentent, " expliqua Stark. " Mais qu'est-ce qu'il y a entre les deux ? Dans quelle mesure ce système est-il similaire à notre système solaire ? La poussière et la glace d'eau de la ceinture extérieure peuvent-elles éventuellement se frayer un chemin dans la région intérieure du système ? Ce sont des détails que nous pouvons aider à élucider avec Webb."
L'imagerie de Webb permettra aux chercheurs d'étudier comment les petits grains de poussière interagissent avec les planètes présentes dans ce système. Plus, Webb détaillera toutes les fines poussières qui s'échappent de ces objets, permettant aux chercheurs de déduire la présence de corps rocheux plus gros et quelle est leur répartition dans le système. Ils évalueront également soigneusement comment la poussière diffuse la lumière et réabsorbe et réémet la lumière lorsqu'il fait chaud, leur permettant de contraindre la composition de la poussière. En cataloguant les spécificités de Beta Pictoris, les chercheurs évalueront également à quel point ce système est similaire à notre système solaire, nous aidant à comprendre si le contenu de notre système solaire est unique.
Isabelle Rebollido, membre de l'équipe et chercheur postdoctoral au STScI, construit déjà des modèles complexes de Beta Pictoris. Le premier modèle combine les données existantes sur le système, y compris la radio, proche infrarouge, infrarouge lointain, et la lumière visible des observatoires spatiaux et terrestres. À l'heure, elle ajoutera les images de Webb pour effectuer une analyse plus complète.
Le deuxième modèle ne contiendra que les données de Webb et sera le premier qu'ils exploreront. « La lumière que Webb observera est-elle symétrique ? » demanda Rebollido. "Ou y a-t-il des" bosses "de lumière ici et là parce qu'il y a une accumulation de poussière ? Webb est beaucoup plus sensible que tout autre télescope spatial et nous donne une chance de rechercher cette preuve, ainsi que de la vapeur d'eau là où nous savons qu'il y a du gaz."
La poussière comme anneau de décodeur
Considérez le disque de débris de Beta Pictoris comme un disque très occupé, autoroute elliptique, sauf une où il n'y a pas beaucoup de règles de circulation. Les collisions entre les comètes et les roches plus grosses peuvent produire de fines particules de poussière qui se dispersent ensuite dans tout le système.
"Après les planètes, on pense que la majeure partie de la masse du système Beta Pictoris se trouve dans des planétésimaux plus petits que nous ne pouvons pas observer directement, " expliqua Chen. " Heureusement, nous pouvons observer la poussière laissée lorsque les planétésimaux entrent en collision."
C'est sur cette poussière que l'équipe de Chen concentrera ses recherches. A quoi ressemblent les plus petits grains de poussière ? Sont-ils compacts ou moelleux ? De quoi sont-ils faits?
"Nous analyserons les spectres de Webb pour cartographier les emplacements de la poussière et du gaz et déterminer quelles sont leurs compositions détaillées, " expliqua Chen. " Les grains de poussière sont des " empreintes digitales " de planétésimaux que nous ne pouvons pas voir directement et peuvent nous dire de quoi ces planétésimaux sont faits et comment ils se sont formés. " Par exemple, les planétésimaux sont-ils riches en glace comme les comètes de notre système solaire ? Y a-t-il des signes de collisions à grande vitesse entre planétésimaux rocheux ? Analyser clairement si les grains d'une région sont plus solides ou pelucheux qu'une autre aidera les chercheurs à comprendre ce qui arrive à la poussière, et cartographier les différences subtiles dans la poussière dans chaque région.
"Je suis impatient d'analyser les données de Webb car elles fourniront des détails exquis, " ajouta Cicéron X. Lu, un membre de l'équipe et un doctorat de quatrième année. étudiant à l'Université Johns Hopkins de Baltimore. "Webb nous permettra d'identifier plus d'éléments et d'identifier leurs structures précises."
En particulier, il y a un nuage de monoxyde de carbone au bord du disque qui intéresse beaucoup ces chercheurs. Il est asymétrique et a une forme irrégulière, côté blobby. Une théorie est que les collisions ont libéré de la poussière et du gaz de plus gros, corps glacés pour former ce nuage. Les spectres de Webb les aideront à construire des scénarios qui expliquent son origine.
La portée de l'infrarouge
Ces programmes de recherche ne sont possibles que parce que Webb a été conçu pour fournir des détail haute résolution en lumière infrarouge. L'observatoire est spécialisé dans la collecte de la lumière infrarouge - qui voyage à travers les gaz et les poussières - à la fois avec des images et des spectres. Webb a aussi un autre avantage :sa position dans l'espace. Webb ne sera pas gêné par l'atmosphère terrestre, qui filtre certains types de lumière, comprenant plusieurs bandes de longueur d'onde infrarouge. Cet observatoire permettra aux chercheurs de recueillir pour la première fois une gamme plus complète de lumière infrarouge et de données sur Beta Pictoris.
Ces études seront menées dans le cadre des programmes Webb d'observations à temps garanti (GTO) et d'observateurs généraux (GO). Les programmes GTO sont dirigés par des scientifiques qui ont aidé à développer les composants matériels et logiciels clés ou les connaissances techniques et interdisciplinaires pour l'observatoire. Les programmes GO sont sélectionnés de manière compétitive à l'aide d'un système d'examen à double anonymat, le même système qui est utilisé pour allouer le temps sur le télescope spatial Hubble.
