Une collaboration internationale de scientifiques utilisant l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) a achevé la cartographie la plus complète de la composition chimique des disques protoplanétaires autour de cinq jeunes étoiles proches à haute résolution, produire des images qui capturent la composition moléculaire associée aux naissances planétaires, et une feuille de route pour les études futures de la composition des régions formant des planètes et des comètes. La nouvelle étude révèle des indices sur le rôle des molécules dans la formation du système planétaire, et si ces jeunes systèmes planétaires en devenir ont ce qu'il faut pour accueillir la vie. Les résultats du programme, convenablement appelé MAPS, ou Molécules avec ALMA à l'échelle planétaire, paraîtra dans une prochaine édition spéciale de 20 articles du Supplément du Journal d'Astrophysique séries.

Les planètes se forment dans les disques de poussière et de gaz appelés disques protoplanétaires entourant les jeunes étoiles. La composition chimique de ces disques peut avoir un impact sur les planètes elles-mêmes, y compris comment et où se produit la formation planétaire, la composition chimique des planètes, et si ces planètes ont la composition organique nécessaire pour soutenir la vie. MAPS a spécifiquement examiné les disques protoplanétaires entourant les jeunes étoiles IM Lup, GM Aur, AS 209, HD 163296, et MWC 480, où des preuves de la formation continue de la planète ont déjà été détectées. Le projet a mené à de multiples découvertes passionnantes, y compris un lien entre la poussière et les sous-structures chimiques et la présence de grands réservoirs de molécules organiques dans les régions du disque interne des étoiles.

"Avec ALMA, nous avons pu voir comment les molécules sont distribuées là où les exoplanètes s'assemblent actuellement, " a déclaré Karin Öberg, un astronome au Centre d'Astrophysique | Harvard &Smithsonian (CfA) et chercheur principal pour MAPS. "L'une des choses vraiment excitantes que nous avons vues est que les disques formant des planètes autour de ces cinq jeunes étoiles sont des usines d'une classe spéciale de molécules organiques, dits nitriles, qui sont impliqués dans les origines de la vie ici sur Terre."

Des molécules organiques simples comme le HCN, C2H, et H2CO ont été observés tout au long du projet avec des détails sans précédent, grâce à la sensibilité et au pouvoir de résolution des récepteurs ALMA Band 3 et Band 6. "En particulier, nous avons pu observer la quantité de petites molécules organiques dans les régions internes des disques, où les planètes rocheuses se rassemblent probablement, " a déclaré Viviana V. Guzmán, astronome à l'Instituto de Astrofísica de la Pontificia Universidad Católica de Chile, auteur principal de MAPS VI et co-chercheur principal de MAPS. "Nous constatons que notre propre système solaire n'est pas particulièrement unique, et que d'autres systèmes planétaires autour d'autres étoiles ont suffisamment d'ingrédients de base pour former les éléments constitutifs de la vie."

Les scientifiques ont également observé des molécules organiques plus complexes comme HC3N, CH3CN, et c-C3H2 - notamment ceux contenant du carbone, et donc le plus susceptible d'agir comme matière première de plus gros, molécules prébiotiques. Bien que ces molécules aient déjà été détectées dans des disques protoplanétaires, MAPS est la première étude systématique sur plusieurs disques à très haute résolution spatiale et sensibilité, et la première étude à trouver les molécules à petite échelle et en quantités aussi importantes. "Nous avons trouvé plus de grosses molécules organiques que prévu, un facteur 10 à 100 de plus, situé dans les disques internes à l'échelle du système solaire, et leur chimie semble similaire à celle des comètes du système solaire, " dit John Ile, astronome à l'Université de Leeds et auteur principal de MAPS IX. « La présence de ces grosses molécules organiques est importante car elles sont les tremplins entre des molécules à base de carbone plus simples telles que le monoxyde de carbone, qui se trouve en abondance dans l'espace, et les molécules plus complexes qui sont nécessaires pour créer et maintenir la vie."

Les molécules ne sont pas réparties uniformément sur les disques formant des planètes, cependant, comme en témoignent les MAPS III et IV, qui a révélé que si les compositions générales des disques semblent être similaires au système solaire, zoomer à haute résolution révèle une certaine diversité dans la composition qui pourrait entraîner des différences de planète à planète. "Le gaz moléculaire dans les disques protoplanétaires se trouve souvent dans des ensembles d'anneaux et d'espaces distincts, " dit Charles Law, CfA astronome et auteur principal de MAPS III et IV. "Mais le même disque observé dans différentes raies d'émission moléculaire semble souvent complètement différent, avec chaque disque ayant plusieurs faces moléculaires. Cela signifie également que des planètes dans différents disques ou même dans le même disque à différents endroits peuvent se former dans des environnements chimiques radicalement différents.

L'un de ces environnements radicalement différents se produit dans l'espace entourant les planètes semblables à Jupiter, où les scientifiques ont découvert que le gaz était pauvre en carbone, oxygène, et des éléments plus lourds, bien que riche en hydrocarbures, comme le méthane. "La chimie que l'on voit dans les disques protoplanétaires devrait être héritée en formant des planètes, " dit Arthur Bosman, astronome à l'Université du Michigan et auteur principal de MAPS VII. "Nos résultats suggèrent que de nombreuses géantes gazeuses peuvent se former avec des atmosphères extrêmement pauvres en oxygène (riches en carbone), défiant les attentes actuelles de la composition des planètes."

Pris tous ensemble, MAPS fournit exactement cela :une carte à suivre pour les scientifiques, reliant les points entre le gaz et la poussière dans un disque protoplanétaire et les planètes qui finissent par se former à partir d'eux pour créer un système planétaire. "La composition d'une planète est un enregistrement de l'emplacement dans le disque dans lequel elle s'est formée, " a déclaré Bosman. " Relier la composition de la planète et du disque nous permet d'examiner l'histoire d'une planète et nous aide à comprendre les forces qui l'ont formée. "

Joe Pesce, astronome et responsable du programme ALMA à la National Science Foundation (NSF) a déclaré :"L'existence de la vie au-delà de la Terre est l'une des questions fondamentales de l'humanité. Nous savons maintenant que les planètes se trouvent partout, et l'étape suivante consiste à déterminer s'ils ont les conditions nécessaires à la vie telle que nous la connaissons (et à quel point cette situation pourrait être courante). Le programme MAPS nous aidera à mieux répondre à ces questions. La recherche par ALMA de précurseurs de la vie loin de la Terre complète les études menées en laboratoire, et dans des endroits comme les cheminées hydrothermales sur Terre."

berg dit, « MAPS est l'aboutissement de décennies de travail sur la chimie des disques formant des planètes par des scientifiques utilisant ALMA et ses précurseurs. Bien que MAPS n'ait étudié que cinq disques à l'heure actuelle, nous n'avions aucune idée de la complexité chimique et de la beauté visuelle de ces disques jusqu'à présent. MAPS a d'abord répondu à des questions que nous n'aurions pas pu imaginer poser il y a des décennies, et nous a également posé de nombreuses autres questions auxquelles répondre. »