Le télescope spatial James Webb (JWST) aide les scientifiques à découvrir comment les planètes se forment en faisant progresser la compréhension de leurs lieux de naissance et des disques circumstellaires entourant les jeunes étoiles.

Dans un article publié dans The Astronomical Journal , une équipe de scientifiques, dirigée par Naman Bajaj de l'Université d'Arizona et comprenant le Dr Uma Gorti de l'Institut SETI, image pour la première fois les vents d'un ancien disque de formation de planète (encore très jeune par rapport au soleil) qui est dispersant activement son contenu gazeux. Le disque a déjà été imagé, mais pas les vents des anciens disques. Il est important de savoir quand le gaz se disperse, car cela limite le temps qu'il reste aux planètes naissantes pour consommer le gaz de leur environnement.

Au cœur de cette découverte se trouve l'observation de TCha, une jeune étoile (par rapport au soleil) enveloppée par un disque érodé remarquable par son vaste trou de poussière, d'environ 30 unités astronomiques de rayon. Pour la première fois, les astronomes ont photographié le gaz dispersant (appelé vents) à l’aide des quatre raies des gaz rares néon (Ne) et argon (Ar), dont l’une est la première détection dans un disque en formation de planète. Les images de [Ne II] montrent que le vent provient d'une région étendue du disque.

L'équipe, qui est tous membres d'un programme JWST dirigé par Ilaria Pascucci (Université de l'Arizona), souhaite également savoir comment ce processus se déroule afin de mieux comprendre l'histoire et l'impact sur notre système solaire.

"Ces vents pourraient être provoqués soit par des photons stellaires à haute énergie (la lumière de l'étoile), soit par le champ magnétique qui tisse le disque formant la planète", a déclaré Bajaj.

Le Dr Gorti de l'Institut SETI mène des recherches sur la dispersion des disques depuis des décennies et, avec son collègue, elle a prédit la forte émission d'argon que JWST a maintenant détectée. Elle est "excitée de pouvoir enfin démêler les conditions physiques du vent pour comprendre comment ils décollent."

Les systèmes planétaires comme notre système solaire semblent contenir plus d’objets rocheux que d’objets riches en gaz. Autour de notre Soleil, celles-ci comprennent les planètes intérieures, la ceinture d'astéroïdes et la ceinture de Kuiper. Mais les scientifiques savent depuis longtemps que les disques de formation des planètes ont au départ une masse 100 fois plus élevée en gaz qu'en solides, ce qui soulève une question pressante :quand et comment la majeure partie du gaz quitte-t-elle le disque/système ?

Durant les toutes premières étapes de la formation du système planétaire, les planètes fusionnent en un disque rotatif de gaz et de minuscules poussières autour de la jeune étoile. Ces particules s’agglutinent et forment des morceaux de plus en plus gros appelés planétésimaux. Au fil du temps, ces planétésimaux entrent en collision et se collent les uns aux autres pour finalement former des planètes. Le type, la taille et l'emplacement des planètes qui se forment dépendent de la quantité de matière disponible et de la durée pendant laquelle elle reste dans le disque. Ainsi, l'issue de la formation des planètes dépend de l'évolution et de la dispersion du disque.

Le même groupe, dans un autre article dirigé par le Dr Andrew Sellek de l'Observatoire de Leiden, a effectué des simulations de la dispersion provoquée par les photons stellaires pour différencier les deux. Ils comparent ces simulations aux observations réelles et constatent que la dispersion par des photons stellaires de haute énergie peut expliquer les observations et ne peut donc pas être exclue comme possibilité.

Le Dr Sellek a décrit comment « la mesure simultanée des quatre lignes par JWST s'est avérée cruciale pour déterminer les propriétés du vent et nous a aidé à démontrer que des quantités importantes de gaz sont dispersées. »

Pour situer les choses dans leur contexte, les chercheurs calculent que la masse qui se disperse chaque année est équivalente à celle de la Lune. Un article complémentaire, actuellement en cours de révision par The Astronomical Journal , détaillera ces résultats.

La ligne [Ne II] a été découverte pour la première fois vers plusieurs disques de formation de planètes en 2007 avec le télescope spatial Spitzer et a rapidement été identifiée comme traceur de vents par le professeur Pascucci, chef de projet à l'Université d'Arizona; cela a transformé les efforts de recherche axés sur la compréhension de la dispersion des gaz sur les disques. La découverte de [Ne II] résolue spatialement et la première détection de [Ar III] à l'aide du JWST pourraient devenir la prochaine étape vers la transformation de notre compréhension de ce processus.

"Nous avons utilisé pour la première fois le néon pour étudier les disques de formation de planètes il y a plus de dix ans, en testant nos simulations informatiques par rapport aux données de Spitzer et aux nouvelles observations obtenues avec le VLT de l'ESO", a déclaré le professeur Richard Alexander de l'école de physique et de physique de l'université de Leicester. Astronomie. Nous avons beaucoup appris, mais ces observations ne nous ont pas permis de mesurer la masse perdue par les disques. Les nouvelles données JWST sont spectaculaires, et être capable de résoudre les vents du disque dans les images est quelque chose que je n'aurais jamais cru possible. Avec d'autres observations comme celle-ci à venir, JWST nous permettra de comprendre les jeunes systèmes planétaires comme jamais auparavant."

En outre, le groupe a également découvert que le disque interne de T Cha évolue sur des échelles de temps très courtes, plusieurs décennies; ils constatent que le spectre JWST de T Cha diffère du spectre Spitzer antérieur. Selon Chengyan Xie de l'Université d'Arizona, auteur principal de ces travaux en cours, ce décalage pourrait s'expliquer par un petit disque interne asymétrique qui a perdu une partie de sa masse en seulement 17 ans. Avec les autres études, cela laisse également entendre que le disque de T Cha est à la fin de son évolution.

Xie ajoute :"Nous pourrons peut-être assister à la dispersion de toute la masse de poussière dans le disque interne de T Cha au cours de notre vie."

Les implications de ces découvertes offrent de nouvelles perspectives sur les interactions complexes qui conduisent à la dispersion des gaz et des poussières essentiels à la formation des planètes. En comprenant les mécanismes à l’origine de la dispersion des disques, les scientifiques peuvent mieux prédire les délais et les environnements propices à la naissance des planètes. Le travail de l'équipe démontre la puissance du JWST et ouvre une nouvelle voie dans l'exploration de la dynamique de la formation des planètes et de l'évolution des disques circumstellaires.

Les données utilisées dans ce travail ont été acquises avec l'instrument JWST/MIRI via le programme General Observers Cycle 1 PID 2260 (PI :I. Pascucci). L'équipe de recherche comprend Naman Bajaj (étudiant diplômé), le professeur Ilaria Pascucci, le Dr Uma Gorti, le professeur Richard Alexander, le Dr Andrew Sellek, le Dr Jane Morrison, le professeur Andras Gaspar, le professeur Cathie Clarke, Chengyan Xie (diplômé étudiant), Dr Giulia Ballabio et Dingshan Deng (étudiant diplômé).

Plus d'informations : Naman S. Bajaj et al, Observations JWST MIRI MRS de T Cha :découverte d'un vent de disque résolu spatialement, The Astronomical Journal (2024). DOI :10.3847/1538-3881/ad22e1

Fourni par l'Institut SETI