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Herschel traque l’eau dans notre Univers

Communiqué publié le 30 mars 2012

par assistant com’ - 30 mars 2012 ( maj : 12 avril 2012 )

Après plus de trente mois de fonctionnement du satellite européen Herschel, le colloque « From atoms to pebbles : Herschel’s view of Star and Planet formation », organisé conjointement par le CNES et l’IPAG du 20 au 23 mars à Grenoble, est revenu sur les apports de la mission dans notre connaissance des mécanismes de formation des systèmes planétaires. Une découverte majeure est l’omniprésence de l’eau dans les zones de formation d’étoiles et des planètes, autant d’éléments pointant vers une provenance spatiale de l’eau sur notre Terre.

Lancé le 14 mai 2009 par Ariane 5, le satellite Herschel de l’ESA (Agence Spatiale Européenne), du nom du physicien qui découvrit l’infrarouge en 1800, est le plus grand télescope spatial dédié à l’astronomie dans le domaine spectral de l’infrarouge et du submillimétrique. Son miroir primaire de 3,5m, le plus grand jamais construit, offre des observations dans la gamme de longueur d’onde 55-671 micromètres avec une sensibilité, une résolution spatiale et spectrale sans précédent. Il fournit ainsi un nouvel éclairage sur certaines questions astrophysiques.

Après plus de trente mois de fonctionnement dans l’espace, à plus de 1,5 million de kilomètres de la Terre, le CNES, l’agence spatiale française, et l’Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble (IPAG) ont organisé du 20 au 23 mars un colloque qui a réuni plus de 200 chercheurs du monde entier, experts en formation des étoiles et des systèmes planétaires.

Parmi l’ensemble des communications de recherche très riches du colloque, portant sur les observations d’Herschel dans les régions de formation d’étoiles, une observation fut à l’honneur : celle de l’eau.
En effet, jamais avant le satellite Herschel, il n’avait été possible d’observer l’eau dans l’Univers avec autant de détails, en particulier sous forme gazeuse.

Quatre programmes d’observation de la présence d’eau :

Quatre programmes internationaux de recherche (WISH, CHESS, HSSO et GASPS [1]), avec un très fort engagement de laboratoires français (LAB, IRAP, IPAG, LESIA [2]) ont pu tracer et mesurer l’abondance de l’eau et son évolution, de la naissance des étoiles à celle des planètes.

Pour la première fois, l’eau a ainsi été détectée dans les cœurs préstellaires, mais aussi en grande quantité dans des disques protoplanétaires, et jusque dans les jeunes systèmes planétaires extrasolaires, sous la forme de gigantesques réservoirs de comètes glacées. De plus, il a été permis de mieux comprendre la formation de l’eau autour des étoiles jeunes, et de préciser les mécanismes de formation des étoiles analogues à notre soleil ou beaucoup plus massives que ce dernier. Outre l’action de l’eau comme un refroidisseur naturel, l’eau constitue une formidable sonde des mouvements de gaz autour des étoiles en formation. Par ailleurs, une nouvelle mesure de l’abondance de l’eau, et de sa variante l’eau lourde, a relancé l’hypothèse de l’apport de l’eau sur terre par voie cométaire.

Ces observations ont été effectuées avec les trois instruments embarqués à bord : HIFI, un spectromètre à haute résolution dédié à l’étude de la chimie de l’Univers, PACS et SPIRE des spectro-imageurs destinés à cartographier l’émission infrarouge des grains de poussière.

L’eau est ainsi présente dans tout le cosmos, sous forme de glace ou de gaz. Et c’est même la troisième espèce la plus abondante de l’Univers. Ces observations permettent ainsi de répondre aux questions qui agitent autant les astrophysiciens que le grand public : y a-t-il de l’eau dans le cosmos ? Y a-t-il de l’eau dans le système solaire ailleurs que sur Terre ? D’où vient l’eau présente sur Terre ? Pouvait-elle déjà être présente lors de la formation de notre planète ?

Outre la compréhension des mécanismes de formation de l’eau autour des étoiles jeunes, les observations réalisées par Herschel dressent un vaste panorama de l’ensemble des régions de formation stellaire et planétaire tant du point de vue de la visualisation de ces espaces que de la compréhension des mécanismes physiques qui les régissent : des filaments structurant les nuages moléculaires aux interactions des grains de poussière avec les planètes, jusqu’à la formation des étoiles de type solaire ou beaucoup plus massives. C’est donc tout un pan astrophysique qui va pouvoir être nourri pendant de nombreuses années en exploitant les données acquises par Herschel, jusqu’à la fin des opérations, début 2013.

Le CNES a participé au financement des instruments et assure le suivi et le financement des participations françaises engagées par le CEA, le CNRS, et de nombreuses universités et laboratoires français.

Résultats présentés lors de ce colloque :

-  L’eau et les étoiles en formation (IPAG)

Dans l’enveloppe de gaz chaud entourant une étoile en formation, les molécules d’eau signent leur présence par un rayonnement infra-rouge caractéristique que parvient à détecter le satellite Herschel. Ce rayonnement provient du refroidissement des molécules d’eau excitées par l’absorption de la lumière (les photons) provenant de la proto-étoile et par les collisions avec les molécules de di-hydrogène (H2) qui composent l’essentiel du gaz. Pour modéliser ce rayonnement et déterminer l’abondance de l’eau, les astronomes ont besoin de connaître avec précision les coefficients d’absorption et les coefficients de collision de l’eau. Si des mesures spectroscopiques en laboratoire permettent de mesurer avec précision les coefficients d’absorption, seule la théorie est capable de fournir les coefficients de collision sur une large gamme de température. Des calculs quantiques ont permis récemment de fournir ces coefficients de collision avec une précision inégalée. Ce travail, qui consiste à résoudre l’équation de Schrödinger du système H2O-H2 (composés de 5 noyaux et 12 électrons) a nécessité des centaines de milliers d’heures de calculs sur les supercalculateurs nationaux. Grâce à ces résultats et à la sensibilité des observations de Herschel, les astronomes vont pour la première fois pouvoir mesurer avec grande précision l’abondance et la répartition de l’eau dans les proto-étoiles.

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L’émission infra-rouge de l’eau dans les proto-étoiles résulte des interactions aavec les photons et les molécules de di-hydrogène (H2)

Contact IPAG : Alexandre Faure – alexandre.faure@obs.ujf-grenoble.fr – 04.76.63.55.16

-  Détection de l’eau dans les systèmes planétaires en formation (IPAG)

Dans le cadre du programme temps ouvert GASPS, il a été observé un large échantillon d’étoiles en formation dans le nuage moléculaire géant de la constellation du Taureau, plus de 90 étoiles. Ce nuage moléculaire représente la région de formation d’étoiles la mieux étudiée et sa population de jeunes étoiles est la mieux connue. Ces étoiles sont autant de jeunes "Soleils" en formation. Elles sont entourées par des disques de gaz et de poussière qui sont sans doute autant de futurs systèmes planétaires. Plusieurs de ces disques sont observés en détail, résolus directement par imagerie, mais à ce jour aucune trace d’eau.

Grâce à l’instrument PACS, il a été démontré qu’au moins 25% de ces futurs systèmes planétaires contiennent de l’eau (H2O) sous forme gazeuse. Ce résultat important renforce encore un peu plus l’analogie avec notre propre système solaire. L’analyse des données en cours donnera des indications pour mieux comprendre non seulement la formation des étoiles et l’évolution de leur disque, mais contribuera aussi à mieux comprendre l’origine de l’eau sur Terre et de la glace d’eau en général dans le Système Solaire.

Contacts IPAG :
François Menard – menard@obs.ujf-grenoble.fr – 04.76.51.42.07
Wing-Fai Thi – thiw@obs.ujf-grenoble.fr – 04.76.63.55.09

-  Une ceinture de Kuiper glacée au sein d’un jeune système stellaire (IPAG)

Grâce à des observations réalisées à l’aide des télescopes spatiaux Herschel et Hubble, l’anneau de poussières qui entoure la jeune étoile HD 181327 a pu être étudié en détails. Avec ses 12 millions d’années, ce système est déjà trop âgé pour voir naître des planètes géantes. Son anneau semble pourtant sculpté par une telle planète, encore non-détectée, à l’instar de la ceinture de Kuiper du système solaire. Il a été mis en évidence que les grains de poussière, en orbite à 90 unités astronomiques (UA) de leur étoile, sont composés à près de 70% de glace d’eau. Ils seraient le sous-produit de collisions survenant au sein d’un énorme réservoir de planétésimaux glacés, capable de déterminer l’évolution future de planètes telluriques encore en formation.

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Image de l’anneau de poussière dans l’infrarouge lointain autour de l’étoile HD181327

Contacts IPAG :
Jean-Charles Augereau – augereau@obs.ujf-grenoble.fr – 04.76.51.47.86
Jérémy Lebreton – jeremy.lebreton@obs.ujf-grenoble.fr – 04.76.51.42.15

-  Etude de l’eau dans une région de formation stellaire : origine des océans terrestres (IRAP)

L’eau lourde, ou oxyde de deutérium (D2O), est chimiquement similaire à l’eau (H2O). Grâce à des observations réalisées avec le satellite Herschel, il a été possible de détecter cette forme particulière d’eau, en même temps qu’un grand nombre de transitions d’eau semi-lourde (HDO), dans le nuage moléculaire Rho Ophiuchus de notre Galaxie où une étoile ressemblant à notre Soleil est en cours de fabrication. Ces éléments, combinés aux observations de l’eau sont d’excellents outils de diagnostic physico-chimique et apportent des informations sur les mécanismes de la formation stellaire à travers leur production dans un réseau chimique complexe à l’origine de la Vie telle qu’elle est connue sur la Terre.

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L’eau deutérée (HDO) est une molécule particulièrement intéressante du milieu interstellaire. Elle est chimiquement équivalente à l’eau (H2O)

- Le voile se lève sur la formation des étoiles massives (LAB)

Les étoiles massives (plus de 8 fois la masse de notre Soleil), bien que représentant seulement quelques pourcents de la population stellaire dans l’Univers, jouent un rôle fondamental dans le cycle de la matière qui nous entoure, notamment en fabricant en leur sein les éléments lourds. Le processus de formation de ces objets reste néanmoins mal connu. L’eau joue probablement un rôle important dans ce processus en refroidissant le gaz.

Grâce au télescope Herschel, il a pu être observé au travers d’un large échantillon d’objets l’émission venant de l’eau en phase gazeuse présente autour de ces embryons d’étoiles très massives. Par une modélisation détaillée de ces émissions, il a pu être déterminé l’abondance de l’eau (jusqu’à 0,11 masse solaire au moins autour de la proto-étoile W43-MM1) et la relier à la présence de chocs au sein de l’enveloppe de ces objets. Ces observation à très haute résolution spectrale ont aussi révélé des mouvements de gaz turbulents supersoniques dont la vitesse turbulente augmente quand on s’éloigne de l’objet central, en accord avec une des théories de formation d’étoile massive.

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Observation de l’eau dans la proto-étoile massive W43-MM1 superposée à une image de la région. En blanc est montré le signal de l’eau en un point. Sur la carte, la concentration de l’eau augmente vers le centre de l’objet

En savoir plus sur le colloque.

Relais partenaires et couverture médiatique :


[1WISH : Water In Star-forming regions with Herschel
CHESS : Chemical Herschel Surveys of Star-forming regions
HSSO : Herschel Solar System Observations
GASPS : GAS in Protoplanetary Systems

[2LAB : Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux
IPAG : Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble (CNRS, UJF ; laboratoire membre de l’OSUG, Observatoire de Grenoble)
IRAP : Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie de Toulouse
LESIA : Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique de Paris


       

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