Des astronomes repèrent un précurseur de molécules organiques dans un disque protoplanétaire

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Vue d’artiste du disque protoplanétaire autour de l’étoile Oph-IRS 48. | ESO/L. Calçada, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/A. Pohl, van der Marel et al., Brunken et al.
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À l’aide de l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un observatoire d’ondes millimétriques situé au nord du Chili, une équipe d’astronomes a détecté la plus grande molécule jamais découverte dans un disque de formation planétaire : il s’agit du méthoxyméthane (aussi appelé diméthyléther), une molécule à neuf atomes (CH3OCH3) considérée comme un précurseur de molécules organiques encore plus grosses, pouvant potentiellement conduire à l’émergence de la vie.

Comprendre la formation et l’évolution des molécules prébiotiques au sein des disques protoplanétaires peut aider à mieux comprendre comment la vie est née dans notre propre système solaire. C’est pourquoi les scientifiques s’intéressent tant à cette chimie lointaine ; ils tentent de comprendre comment ce matériau indispensable à la vie est incorporé dans les planètes au moment de leur formation — ce qui, par la même occasion, pourrait donner une meilleure idée du potentiel de vie dans d’autres systèmes planétaires.

Le disque protoplanétaire en question entoure Oph-IRS 48, une jeune étoile située à environ 440 années-lumière de la Terre, dans la constellation de l’Ophiuchus. En 2013, les astronomes avaient découvert une région particulière dans la partie sud du disque, dans laquelle des grains de poussière de taille millimétrique étaient piégés et s’aggloméraient pour former des objets beaucoup plus gros, comme des comètes, des astéroïdes et même potentiellement des planètes. Ce « piège à poussière » très localisé en fait le disque protoplanétaire le plus asymétrique détecté à ce jour. Des observations récentes de cette zone ont permis d’y repérer plusieurs molécules organiques.

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Des molécules dissimulées dans la glace

Le disque d’IRS 48 a fait l’objet de très nombreuses recherches. L’an dernier, une équipe avait rapporté la détection de formaldéhyde (CH2O) et de méthanol (CH3OH) dans ce disque. Les raies d’émission liées à ces molécules affichaient la même forme de croissant que le continuum de poussière, révélant pour la première fois le lien direct entre le piège à poussière et les molécules organiques complexes. La même équipe a également détecté du monoxyde de soufre (SO) et du dioxyde de soufre (SO2) : ce fut la toute première détection de volatils soufrés dans un disque protoplanétaire.

Cette fois-ci, de nouvelles observations ont révélé la présence de méthoxyméthane (CH3OCH3) ; les chercheurs ont également tenté de détecter du formiate de méthyle (HCOOCH3), un élément constitutif de molécules organiques encore plus grandes. Le méthoxyméthane est une molécule organique couramment observée dans les nuages de formation d’étoiles, mais c’est la première fois que des scientifiques identifient des molécules aussi grosses au sein d’un disque protoplanétaire. « C’est vraiment passionnant de détecter enfin ces grosses molécules dans les disques. Nous avons pensé pendant un bon moment qu’il ne serait pas possible de les observer », explique dans un communiqué Alice Booth, chercheuse à l’Observatoire de Leiden, aux Pays-Bas, et co-auteure de l’article décrivant cette découverte.

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Cette image acquise par ALMA montre le piège à poussière (ici en vert) situé dans le disque protoplanétaire qui entoure le système Oph-IRS 48. L’anneau orange indique la localisation de particules de poussière plus fines (de l’ordre du micron). © ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Nienke van der Marel

Les experts pensent que de nombreuses molécules organiques complexes, comme le méthoxyméthane, apparaissent dans les nuages de formation d’étoiles, avant même la naissance de celles-ci. Dans ces environnements particulièrement froids, les atomes et les molécules simples comme le monoxyde de carbone (CO) se collent aux grains de poussière. Puis, l’ensemble finit par former une couche de glace dans laquelle se déroulent diverses réactions chimiques produisant des molécules plus complexes.

Or, les chercheurs ont récemment découvert que le piège à poussière du disque d’Oph-IRS 48 constitue lui aussi un énorme réservoir de grains glacés dans le plan médian du disque, un « piège à glace » renfermant des molécules organiques complexes en phase gazeuse. Ainsi, lorsque la chaleur de l’étoile sublime la glace en gaz, les molécules piégées sont libérées et deviennent détectables.

Un disque particulièrement riche en molécules complexes

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Cette nouvelle découverte suggère que d’autres molécules complexes généralement détectées dans les nuages de formation d’étoiles peuvent potentiellement se trouver aussi au sein des disques protoplanétaires, emprisonnées dans la glace. « Nous savons maintenant que ces molécules complexes plus grandes sont disponibles pour alimenter les planètes en formation dans le disque. Cela n’était pas connu auparavant, car dans la plupart des systèmes, ces molécules sont cachées dans la glace », souligne Alice Booth. Ces molécules sont les précurseurs de molécules essentielles à la vie, telles que les sucres et les acides aminés.

L’équipe pense que le méthoxyméthane et le formiate de méthyle pourraient se former via des réactions impliquant des radicaux (CH3O + HCO → HCOOCH3 et CH3O + CH3 → CH3OCH3) — qui supposent une voie de formation commune à partir du précurseur CH3O. Ces réactions pourraient être soutenues par l’irradiation UV des glaces, provoquant la dissociation du méthanol (selon la réaction CH3OH + hν → CH3 + OH ou CH3O + H).

L’équipe rapporte également la première détection d’oxyde nitrique (NO) dans le disque (cinq raies de transition au total), ainsi qu’une raie d’émission supplémentaire pour le dioxyde de soufre. De futures observations permettront sans doute de découvrir encore d’autres espèces moléculaires. « Nous espérons qu’avec d’autres observations, nous pourrons nous rapprocher de la compréhension de l’origine des molécules prébiotiques dans notre propre système solaire », a déclaré Nienke van der Marel, chercheur à l’Observatoire de Leiden, qui a également participé à l’étude. Grâce à l’Extremely Large Telescope (ELT) de l’ESO, dont la mise en service est prévue dans le courant de la décennie, l’équipe pourra étudier plus précisément la chimie des régions plus internes du disque.

Source : N. Brunken et al., Astronomy & Astrophysics

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