Planètes en construction

     En utilisant les instruments sensibles de Spitzer, les scientifiques ont vu les premières briques des planètes et des éléments de prévie au plus profond des disques de poussières entourant les jeunes étoiles. Certaines des premières données du nouveau télescope spatial infrarouge Spitzer indiquent que la Voie Lactée - et par analogie les galaxies en général - fabrique de nouvelles étoiles à un rythme beaucoup plus prolifique que les astronomes ne l'avaient imaginé.  Cette découverte inclue celle d'une quantité significative de glace organique et d'ingrédients à la base de la vie, éparpillés à travers un certain nombre de zones hébergeant des planètes en construction ou des disques de poussières entourant des bébés étoiles et formant la base des planètes.

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1. RCW49 ou NGC 3247

  Le télescope spatial Spitzer est le dernier grand programme d'observatoires de la NASA. Le JPL à Pasadena, Californie, contrôle le projet. Ces grands programmes d'observation, qui inclut également le télescope spatial Hubble, l'observatoire gamma Compton et l'observatoire X  Chandra, furent conçus pour observer le cosmos à travers une grande partie du spectre électromagnétique. Le télescope Spitzer a été placé sur une orbite héliocentrique en août 2003.

     Au cours de ses observations, le télescope spatial Spitzer a révélé des centaines de nouvelles étoiles dans la nébuleuse RCW49 située dans notre Galaxie, la Voie Lactée, à environ 13 700 al de la terre dans la constellation du Centaure. Analysant les longueurs d'onde plus longues que celles de la vision humaine, Spitzer peut clairement voir des jeunes étoiles en formation ou protoétoiles,  qui sont cachées à l'intérieur de sombres nuages de poussières froides. L'image infrarouge de RCW49 donne une nouvelle vision sur la manière dont se sont formées les étoiles dans la Voie Lactée. Précédemment, les astronomes avaient déterminé que la quantité de formation d'étoiles se produisant actuellement dans la galaxie est d'environ 1 masse solaire par an. La production d'un Soleil par an dans une galaxie contenant 100 milliards d'étoiles,  ce n'est rien de plus qu'un simple rôle de figurant. Edward Churchwell,  astronome à l'université Madison du Wisconsin et expert en formation d'étoiles a déclaré qu'il pariait que c'est un mauvais calcul. En effet, il suspecte que la quantité de matière convertie soit sensiblement plus élevée. La réponse viendra peut-être dans quelques années, quand le groupe de Churchwell aura terminé son étude de la Voie Lactée.

     "Dans ce petit secteur de la Voie Lactée, nous avons une pépinière stellaire comme personne n'en avait jamais vue auparavant " raconta Churchwell, l'expert. " Le nombre  précis d'objets nous étonne et peut nous forcer à réécrire nos théories sur la formation des étoiles et leur nombre dans la Voie Lactée. Je suis absolument sûr qu'il y a plusieurs régions comme celle-là à travers la Voie Lactée. Ce n'est pas un phénomène unique". Pendant des années, les astronomes ont sondé des objets comme la nébuleuse RCW49, un épais cocon obscurci par les poussières et le gaz, avec des radiotélescopes. En écoutant, ils ont appris que ces poches cachées dans l'espace sont les endroits où la plupart des nouvelles étoiles, qui peuplent une galaxie, sont nées.

2. Regard furtif

    A partir des 300 000 images, dont chaque image a été exposée 1,2 seconde, l'équipe de Churchwell est chargée de créer une mosaïque d'une partie interne de la Voie Lactée. Churchwell expliqua que son équipe était en train d'étudier l'intérieur des 2/3 de la Voie Lactée, mais, ajouta-t-il, ils ne peuvent pas étudier le centre galactique parce qu'il est trop brillant et saturerait les détecteurs. Lorsqu'elle sera terminée, l'étude fournira une richesse d'informations des régions du ciel précédemment obscurcies par les nuages de poussières et de gaz au premier plan. Pour lui, il y aura beaucoup de surprises. Enthousiaste, il déclare que les images produites par la caméra à capteur infrarouge sont magnifiques et c'est un vrai succès pour la Nasa. Il ajoute qu'en regardant derrière les nuages, Spitzer montre que la formation des étoiles et les planètes est un processus très actif dans la Voie Lactée.

3. Localisation des protoétoiles

 Les découvertes de Spitzer ont été annoncées le 27 mai 2004 au quartier général de la Nasa par Edward Churchwell responsable de l'équipe qui conduit l'étude infrarouge la plus détaillée, entreprise à cette date dans la Voie Lactée. Concentrant le télescope sur un amas compact d'étoiles au coeur d'une nébuleuse RCW49, Churchwell et ses collègues ont découvert plus de 300 protoétoiles. Chacune de ces jeunes étoiles possède un disque tournoyant de poussières circumstellaires et crée les conditions idéales pour la formation de nouveaux systèmes solaires.

   Cette image montre ce qu'un oeil humain pourrait voir s'il pouvait visualiser les ondes longues des différentes parties du spectre électromagnétique. Elle montre RCW49 avec un décalage spectral allant du visible jusqu'à l'infrarouge permettant à Spitzer de percer les nuages de poussières. L'image montre des teintes invisibles à l'oeil humain, où les objets apparaissent en fausses couleurs allant du rouge au bleu. La première image infrarouge en fausse couleur a été réalisée dans le proche infrarouge (1,3 à 2,2 µm) par la mission  Two Micron All Sky Survey (2MASS). La 2e vue en fausse couleur vient de la caméra infrarouge de Spitzer et couvre la bande 3,6 à 8 µm.

    Tandis que la nébuleuse est présente sur toutes les vues, les objets invisibles, enfouis dans les nuages de poussières, émergent aux longueurs d'onde seulement accessibles au télescope. Les étoiles rougeâtres sautent aux yeux et toute l'étendue de la nébuleuse apparaît sur l'image finale. Les centaines de cercles jaunes apparaissant sur l'image situent les lieux des candidates protoétoiles identifiées en comparant l'image dans l'infrarouge moyen de Spitzer à l'image 2MASS dans le proche infrarouge.

4. Protoétoiles

Une vue partielle de la Voie Lactée localisant RCW 49 ainsi que le Taureau, une région de formation d'étoiles par rapport au Soleil. ESO

   "Les données préliminaires suggèrent que chacune des trois cents ou plus protoétoiles ont des disques planétaires, " indique Churchwell. Avant le lancement de Spitzer, les scientifiques ne pouvaient étudier que seulement quelques uns de ces disques, mais aucun des détails vus par Spitzer. Le télescope spatial IR est plus de mille fois plus sensible qu'IRAS, le télescope spatial infrarouge lancé en 1983. Les scientifiques utilisent l'accroissement de sensibilité pour étudier les disques protoplanétaires plus près de l'étoile. Dan Watson et William Forrest de l'université de Rochester ont étudié vingt étoiles dans un autre nuage, le nuage moléculaire du Taureau, qui se trouve plus proche que RCW49, à environ 420 années-lumière (voir ci-contre). Ils ont constaté que les disques entourant cinq étoiles, contiennent de la glace organique. Watson et son équipe ont identifié de l'eau, du méthanol et l'anhydride carbonique à quelques degrés kelvin, à l'aide du spectrographe infrarouge de Spitzer (IRS), qui décompose la lumière infrarouge pour indiquer diverses signatures chimiques. C'est la première fois que les chercheurs trouvent sans ambiguïté ces molécules dans un nuage de poussières formant des disques planétaires. Ces matériaux peuvent aider à expliquer l'origine des planétoïdes glacés comme des comètes. Ces poussières entourées de glace proche du zéro absolu peuvent s'agglutiner dans des comètes ou astéroïdes, lesquels s'écrasent sur des planètes, dispersant la matière organique nécessaire au développement de la vie. Les scientifiques croient que ces comètes ont pu avoir doté la Terre de plusieurs de ses matériaux biogéniques de prévie et une partie de son eau. Mais jusqu'à maintenant le rapport isotopique hélium deutérium de l'eau sur Terre ne permet pas de se prononcer.

    Le potentiel des protoétoiles à former les systèmes planétaires est le principal intérêt des astronomes. Les étoiles sont formées à partir de disques d'accrétion de poussières froides et de gaz. Les étoiles naissantes se développent à partir de tourbillons de matière à l'intérieur du disque. Les astronomes pensent que le même disque fournit la matière première des planètes. Churchwell a noté que les protoétoiles développent des systèmes planétaires à partir de ces disques d'accrétion.

     Le dessin ci-dessus montre le spectre obtenu avec le spectrographe infrarouge de deux jeunes étoiles enfouies au fond d'un disque protoplanétaire. Ces épais disques de gaz et de poussières sont le surplus de matière ayant servi à la création des étoiles. Les courbes sont la représentation graphique des caractéristiques lumineuses d'un objet.  Ces caractéristiques ou empreintes digitales, à l'intérieur d'un spectre, permettent aux astronomes d'identifier la composition chimique de l'objet.

   Dans les deux spectres infrarouges, la présence de produits chimiques importants pour la formation de nouveaux mondes est clairement visible. La large dépression au centre de chaque spectre signifie la présence des silicates chimiquement semblables au sable de plage. En fait, ces silicates  peuvent  être comparés avec les célèbres plages vertes d'Hawaï, qui doivent leur couleur aux cristaux d'olivine contenus dans le sable. Dans le fond, cette vision artistique dépeint une vue rapprochée des minuscules cristaux d'olivine composant les grains de poussières, comme le pensent une partie des scientifiques, devenant le ciment de la glace profondément enfouie dans le disque. L'épaisseur, révélée par le taux d'absorption des silicates, indique que le cocon poussiéreux entourant la protoétoile enfouie, est extrêmement épais. Les autres creux d'absorption sont produits par l'eau en bleu, le méthanol en rouge et le dioxyde de carbone en vert. Le fait que l'eau, le méthanol et le carbone apparaissent sous forme solide suggère que la matière entourant la protoétoile est très froide.

  Mais CoKu Tau 4 est seulement âgé d'environ 1 million d'années et la théorie favorite la plus courante, sur la formation des planètes, indique qu'elle devrait prendre la forme d'une planète géante gazeuse en plusieurs millions d'années. Cette théorie, connue comme "accrétion du noyau", soutient que la formation de planètes est un processus en deux étapes dans lequel un noyau de glace ou de roche se forme d'abord, suivi de l'accrétion rapide des gaz et des poussières. Ce n'est que lorsque le noyau sera assez gros qu'il pourra retenir le gaz autour lui. De toute façon, CoKu Tau 4 est encore trop jeune pour que cela se produise, ce qui donne une nouvelle vie à la théorie défavorisée "instabilité du disque". Dans cette théorie, la propre pesanteur des nébuleuses protoplanétaires les disloquent en blocs de poussières et de gaz, qui se contractent et s'effondrent en géantes gazeuses.

     Bien que ces résultats n'affectent pas leur avis sur la formation des planètes telluriques, qui ne peuvent se former que par collision de matériaux solides, ils indiquent que des systèmes solaires comme le nôtre pourraient être plus fréquents que les chercheurs le pensaient précédemment. Il y a une abondance de pépinières stellaires comme celles de RCW49, dans la Voie Lactée. Si des géantes gazeuses peuvent se former rapidement autour de quelques étoiles, elles seraient capables de mieux protéger les petites planètes semblables à la Terre de la plupart des risques inhérents à un système solaire externe. Et si elles ne faisaient pas ce travail parfaitement, certains de ces matériaux organiques arriveraient à s'écraser sur une de ces planètes telluriques.

6. Disques protoplanétaires

  Comment peut-on dire qu'une étoile possède un disque protoplanétaire autour d'elle, quand le disque est trop petit pour être directement visible ? En utilisant la spectroscopie, les scientifiques peuvent déduire la température et la composition chimique de la matière autour d'une étoile, même s'ils ne peuvent pas voir le disque. La spectroscopie nécessite la diffusion de la lumière d'une étoile dans un spectre (en lumière visible, la lumière blanche est diffusée dans l'arc-en-ciel lorsqu'elle traverse un prisme) et permet de mesurer exactement la quantité de lumière présente dans chaque longueur d'onde.

http://www.spitzer.caltech.edu/Media/releases/Image ssc2004-08c_fichiers/ssc2004-08c_small.jpg

http://ipac.jpl.nasa.gov/media_images/ssc2004-08c_small.jpg

  L'illustration supérieure représente le spectre d'une étoile sans le disque circumstellaire ou tout autre matière environnante. La distribution de la lumière à n'importe quelle longueur d'onde donnée suit une ligne spécifique et bien connue, déterminée par les lois de la physique et la température de l'étoile. Dans le cas d'une étoile, la majeure partie de la lumière est produite à des longueurs d'onde plus courtes (le côté gauche du diagramme), dues à sa haute température de surface. Se déplaçant vers la droite du diagramme, les longueurs d'onde se dirigent vers les énergies inférieures (indiquant des températures plus basses) et la lumière de l'étoile s'atténue. 

  Sur le deuxième diagramme, nous voyons le spectre d'une étoile avec, autour, un disque de poussières et de gaz qui produit sa propre lumière infrarouge et modifie la forme du spectre. La matière circumstellaire est plus froide que la surface de l'étoile, ainsi elle émet la majeure partie de sa lumière à des longueurs d'onde infrarouges plus longues, plus près du côté droit du diagramme. Aujourd'hui, il y a un excès d'émission infrarouge, qui ne peut pas venir de l'étoile elle-même. Le disque a donc trahi sa présence.

   A l'étape suivante, dans le troisième diagramme, nous voyons le spectre d'une étoile avec un disque circumstellaire autour d'elle.  Dans ce cas-ci, la partie intérieure du disque a été balayée, peut-être par la formation d'une planète. La poussière la plus proche de l'étoile était également la plus chaude, ainsi son absence signifie qu'il y a moins d'émission à partir du disque à température plus élevée. La seule poussière produisant la lumière infrarouge est beaucoup plus froide que l'étoile et rayonne seulement à des longueurs d'onde plus longues. Cette basse température fait une bosse sur le spectre indiquant un disque dont le centre est absent et c'est peut être le premier indice que des planètes se sont formées à l'intérieur du disque.

JPL manages the Spitzer Space Telescope mission for NASA's Office of Space Science, Washington. Science operations are conducted at the Spitzer Science Center at the California Institute of Technology, Pasadena, Calif. JPL is a division of Caltech. Spitzer's infrared spectrograph was built by Cornell University, Ithaca, N.Y., and Ball Aerospace Corporation, Boulder, Colo. The instrument's development was led by Dr. Jim Houck of Cornell. Spitzer's infrared array camera was built by NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md. The camera's development was led by Dr. Giovanni Fazio of Smithsonian Astrophysical Observatory, Cambridge, Mass.

http://www.spitzer.caltech.edu/Media/releases/ssc2004-08/release.shtml

 http://ssc.spitzer.caltech.edu/pubs/apjss/churchwell.pdf

http://www.aas.org/publications/baas/v36n2/aas204/77.htm

http://www.astro.wisc.edu/sirtf/obs.survey.html

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