Les comètes contiennent des silicates cristallins comme la forstérite, dont la formation requiert des températures élevées, incompatibles avec les régions glaciales où elles naissent. Le télescope spatial James Webb a observé la protoétoile EC 53 dans la nébuleuse de la Tête de Serpent pour élucider cette énigme. Ses données révèlent le mécanisme de création de ces cristaux et leur transport vers les zones externes des disques protoplanétaires.
Les comètes, ces « boules de neige sales » qui parcourent notre système solaire, recèlent un mystère datant de 4,5 milliards d’années. Formées dans les régions glaciales au-delà de l’orbite actuelle de Jupiter, elles sont composées majoritairement de glaces, mais contiennent également une quantité surprenante de matériaux rocheux. Parmi ceux-ci figurent des silicates cristallins, tels la forstérite et l’enstatite, dont la présence défie les conditions de leur naissance.
Le paradoxe des matériaux cométaires
La formation de ces cristaux requiert une chaleur intense. Ils ne peuvent se développer à des températures inférieures à environ 900 kelvins (soit environ 1160 degrés Fahrenheit ou 627 degrés Celsius), bien plus chaudes que le froid extrême du système solaire externe primordial. Pendant des décennies, les astronomes ont cherché à comprendre l’origine de ces cristaux et comment les comètes ont pu les intégrer. De nouvelles observations du télescope spatial James Webb (JWST) apportent une explication fondamentale.
EC 53 : une protoétoile révélatrice
Pour percer ce mystère, les scientifiques ont ciblé une protoétoile unique, baptisée EC 53. Située dans la nébuleuse de la Tête de Serpent, à seulement 1 300 années-lumière de la Terre, sa proximité offre un aperçu détaillé de la naissance stellaire. Cette protoétoile, destinée à devenir un corps de taille similaire au Soleil, constitue un excellent analogue de notre jeune système solaire.
Une protoétoile croît en attirant la matière du nuage de gaz qui l’entoure. La conservation du moment angulaire provoque la formation d’un disque d’accrétion où le gaz spirale vers l’étoile naissante. C’est dans la partie externe de ce disque que se forment généralement les planètes. Tandis que la plupart des protoétoiles n’« grignotent » leur disque d’accrétion qu’occasionnellement (phase de quiétude), EC 53 est la seule protoétoile connue à subir des éruptions périodiques suffisamment brillantes pour être observées tout au long de son cycle.
Les éruptions stellaires, vecteurs de cristaux
Environ tous les 18 mois, EC 53 connaît une éruption d’une durée d’environ 100 jours, durant laquelle sa luminosité augmente de 3,3 fois. Une équipe dirigée par Jeong-Eun Lee de l’Université Nationale de Séoul, en Corée du Sud, a utilisé l’instrument Mid-Infrared Instrument (MIRI) du JWST pour obtenir l’empreinte spectrale d’EC 53 durant sa phase de quiétude (le 5 octobre 2023) et pendant une éruption (le 10 mai 2024). Ces mesures ont permis de localiser précisément les zones de formation des silicates cristallins et leur mécanisme de transport.
Les données du JWST ont révélé que les silicates cristallins se forment dans les régions internes, extrêmement chaudes, du disque d’accrétion, à proximité immédiate de la protoétoile, particulièrement lors des phases d’éruption intense. L’augmentation rapide de l’accrétion de matière pendant ces périodes génère suffisamment de chaleur pour forger ces cristaux. Crucialement, les éruptions sont également accompagnées de vents stellaires puissants et de jets de matière qui transportent ces cristaux nouvellement formés des zones internes et chaudes du disque vers ses régions externes, plus froides.
Implications pour la formation planétaire
Ce mécanisme explique la présence de silicates cristallins dans les comètes, formées loin de toute source de chaleur intense. Il suggère que des processus dynamiques, tels que les éruptions et les vents stellaires, ont joué un rôle fondamental dans la redistribution des matériaux au sein des disques protoplanétaires jeunes. La découverte souligne l’importance des phases d’activité intense des protoétoiles pour façonner la composition chimique des corps célestes qui en émergeront, y compris les planètes et les petits corps comme les comètes. Les observations du JWST fournissent ainsi une pièce manquante essentielle au puzzle de la formation de notre propre système solaire, en montrant comment des ingrédients « chauds » ont pu être incorporés dans des « boules de neige » glacées.