Le télescope James Webb assiste en direct à la destruction d'un océan terrestre chaque mois

Une équipe internationale vient de mettre en évidence la destruction et la reformation d'une grande quantité d'eau dans un disque protoplanétaire situé au cœur de la nébuleuse d'Orion.

Cette découverte a été rendue possible par une approche pluridisciplinaire originale combinant des observations du télescope spatial JWST et des calculs de physique quantique. Cette étude, effectuée dans le cadre du programme Early Release Science (ERS) PDRs4All et dirigée par une jeune chercheuse, Marion Zannese, doctorante à l'Université Paris-Saclay, vient d'être publiée dans la revue Nature Astronomy.

L'eau est essentielle à la vie telle que nous la connaissons. Sur Terre, la majorité de l'eau de nos océans aurait été formée bien avant la naissance du Système solaire, dans des régions froides de l'espace interstellaire (-250 °C). Cependant, une fraction de cette eau pourrait avoir été détruite et formée à nouveau à plus haute température (100-500 °C) lorsque le Système solaire n'était encore qu'un disque de gaz et de poussières orbitant autour de notre jeune soleil.

Pour comprendre ce mystérieux cycle de disparition puis réapparition de l'eau, les astronomes ont tourné le télescope James Webb (JWST) vers “d203-506”, un disque protoplanétaire situé dans la Nébuleuse d'Orion, une pouponnière de systèmes planétaires. Le rayonnement ultraviolet intense produit par des étoiles massives entraîne la destruction et la reformation de l'eau dans d203-506, ce qui en fait un véritable laboratoire interstellaire.

Mais comment mettre en évidence la formation et la destruction de molécules situées à plus de mille années lumières de la Terre ?

C'est une collaboration avec des experts en dynamique quantique, participant à la partie modélisation, qui a permis de relever le défi.

Lors de la destruction de l'eau (H2O) par l'ultraviolet, une molécule d'hydroxyle (OH) est libérée avec un mouvement de rotation vertigineux, suivi de l'émission de photons dans l'infrarouge moyen qui voyagent jusqu'au JWST. Au total on estime que l'équivalent d'un océan terrestre est ainsi détruit tous les mois dans le jeune système d203-506.


Mais l'histoire ne s'arrête pas là. Par un mécanisme similaire d'émission de photons dans l'infrarouge proche, JWST nous révèle que l'hydroxyle est produit en abondance à partir de l'oxygène atomique par la réaction O+H2. Or celui-ci est justement un intermédiaire clé dans la formation de l'eau puisqu'il réagit ensuite avec H2 pour former l'eau par la réaction OH+H2. Le cycle de destruction / formation est bouclé. Une partie de l'eau constituant nos océans pourrait être passée par un tel cycle.

Référence:
L'article intitulé "OH as a probe of the warm water cycle in planet-forming disks" parait dans la revue Nature Astronomy, le 23 février 2024.
https://arxiv.org/abs/2312.14056