On sait qu'il existe au cœur des nuages moléculaires denses et froids à hauteur d'environ 1 % des poussières formées par des étoiles en fin de vie et qui sont entourées d'un manteau de glace. Il s'y produit des réactions chimiques prébiotiques dont on ne connaît pas encore toute la complexité. Ces poussières sont aussi le matériau de base de la formation des planètes et le télescope James-Webb peut les observer comme jamais auparavant. Ces observations devraient nous aider à comprendre si l'apparition de la vie et de planètes comme la Terre est une rareté ou non dans le cosmos observable.

Dans l’interview qu’il avait donnée à Futura au sujet de son dernier livre, Jean-Pierre Bibring nous avait expliqué que la découverte de la diversité des planètes du Système solaireSystème solaire, et notamment des luneslunes de JupiterJupiter, avait conduit à la prise de conscience que bien des points de bifurcationbifurcation entre des chemins d'évolution déterminés par le hasard et la nécessité existaient dans la formation et l'évolution des planètes. Des conclusions similaires pouvaient être rejointes en ce qui concerne les exoplanètesexoplanètes et la chimiechimie prébiotique de la matièrematière dans les nuagesnuages moléculaires poussiéreux denses et froids qui par leur effondrementeffondrement gravitationnel peuvent donner des étoilesétoiles entourées de disques protoplanétairesdisques protoplanétaires et finalement de planètes.

On pouvait donc se poser la question du caractère universelle ou non de l'apparition de la vie et aussi de planètes semblables à la Terre dans l'UniversUnivers, au moins dans la Voie lactéeVoie lactée. La question reste ouverte. Pour progresser, il nous faut préciser bien des points comme celui concernant la formation et l'évolution des molécules prébiotiquesprébiotiques dans les nuages moléculaires et dans les disques protoplanétaires.

 Le ribose se forme dans le manteau de glace des grains de poussière, à partir de molécules précurseurs simples (eau, méthanol et ammoniac) et sous l'effet de radiations intenses. © Cornelia Meinert (CNRS) & Andy Christie (Slimfilms.com)
Le ribose se forme dans le manteau de glace des grains de poussière, à partir de molécules précurseurs simples (eau, méthanol et ammoniac) et sous l'effet de radiations intenses. © Cornelia Meinert (CNRS) & Andy Christie (Slimfilms.com)

L'exobiologie et la glace cosmique

La radioastronomie nous a appris qu'il existait bien des moléculesmolécules organiques dans ces nuages. On a construit des modèles astrochimiques élémentaires dans lesquels des grains de silicatessilicates et de matières carbonées sont entourés d'une gangue de glace, principalement d'eau, gangue dans laquelle sous l'effet des photons ultravioletsultraviolets des jeunes étoiles, du chauffage des ondes de choc et du bombardement des rayons cosmiquesrayons cosmiques, des réactions chimiquesréactions chimiques se produisent conduisant aux molécules déjà observées par les radioastronomes.

Dans les modèles de formation des planètes du Système solaire, les géantes glacées comme Jupiter et NeptuneNeptune se forment d'abord avec un cœur de roches et de glaces issues d'un processus d'agglomération façon boule de neige des poussières glacées. Les planètes telluriquesplanètes telluriques comme la Terre et Mars ont incontestablement reçu un stock initial d'eau mais on ne sait pas en quelle quantité ni sous quelle forme. Dans le cas de la Terre, qui est tout de même au final pauvre en eau si on la compare au cœur de Neptune par exemple, on ne sait pas bien si ses océans sont dus à un dégazage primordial avec un réservoir d’eau principal au cœur de notre Planète bleue ou si l'eau de ses océans est venue plus tard avec les derniers bombardements importants d'astéroïdesastéroïdes et de comètescomètes au début de l'HadéenHadéen.


Le Système solaire est un laboratoire pour étudier la formation des planètes géantes et l'origine de la Vie que l'on peut utiliser conjointement avec le reste de l'Univers observable dans le même but. Mojo : Modeling the Origin of JOvian planets, c'est-à-dire modélisation de l'origine des planètes joviennes, est un projet de recherche qui a donné lieu à une série de vidéos présentant la théorie de l'origine du Système solaire et en particulier des géantes gazeuses par deux spécialistes réputés, Alessandro Morbidelli et Sean Raymond. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « sous-titres » et enfin sur « traduire automatiquement ». Choisissez « français ». © Laurence Honnorat

On ne sait pas si les molécules de la vie, comme les sucressucres, l’ADN et l’ARN, ont été apportées initialement sur Terre par les comètes et les astéroïdes ou si elles sont nées dans la fameuse soupe chaude primitive de la célèbre expérience de Miller-Ulrey. Bref, la formation des planètes et l'apparition de la vie sont incontestablement conditionnées au départ par de simples glaces enrobant des poussières et qui deviennent de plus en plus complexes au fil du temps à travers une variété de voies chimiques qui dépendent de leurs conditions environnementales. Il reste encore beaucoup à découvrir et à comprendre à ce sujet et ce n'est qu'en combinant de nouvelles observations astronomiques, des expériences de laboratoire de pointe sur ces poussières glacées et une modélisationmodélisation chimique complète que nous pourrons y voir plus clair.

C'est avec toutes ces considérations que des chercheurs se sont regroupés dans le cadre du projet Ice Age avec parmi eux et à leur tête, Melissa McClure, astronomeastronome à l'observatoire de Leiden. Ils viennent de faire savoir en particulier via une publication récente dans Nature Astronomy qu'ils avaient utilisé le regard pénétrant dans l'infrarougeinfrarouge du télescopetélescope James-Webb pour plonger comme jamais dans le cœur glacé et sombre d'un célèbre nuage moléculaire dans la Voie lactée afin de percer certains des secrets de ces glaces protoplanétaires et prébiotiques.

Cette image de la caméra proche infrarouge (NIRCam) du télescope spatial James-Webb de la Nasa/ESA/CSA présente la région centrale du nuage moléculaire sombre Caméléon I, qui se trouve à 630 années-lumière du Soleil. Le matériau nuageux froid et vaporeux (bleu, au centre) est illuminé dans l'infrarouge par la lueur de la jeune protoétoile Ced 110 IRS 4 (orange, en haut à gauche). La lumière de nombreuses étoiles d'arrière-plan, vues comme des points orange derrière le nuage, peut être utilisée pour détecter les glaces dans le nuage, qui absorbent la lumière des étoiles qui les traverse. © Nasa, ESA, CSA, and M. Zamani (ESA/Webb); Science: F. Sun (Steward Observatory), Z. Smith (Open University), and the Ice Age ERS Team
Cette image de la caméra proche infrarouge (NIRCam) du télescope spatial James-Webb de la Nasa/ESA/CSA présente la région centrale du nuage moléculaire sombre Caméléon I, qui se trouve à 630 années-lumière du Soleil. Le matériau nuageux froid et vaporeux (bleu, au centre) est illuminé dans l'infrarouge par la lueur de la jeune protoétoile Ced 110 IRS 4 (orange, en haut à gauche). La lumière de nombreuses étoiles d'arrière-plan, vues comme des points orange derrière le nuage, peut être utilisée pour détecter les glaces dans le nuage, qui absorbent la lumière des étoiles qui les traverse. © Nasa, ESA, CSA, and M. Zamani (ESA/Webb); Science: F. Sun (Steward Observatory), Z. Smith (Open University), and the Ice Age ERS Team

Un riche cocktail de molécules organiques

Rappelons que les molécules organiques de la vie telle que nous la connaissons sont composées de seulement quatre éléments : l'hydrogènehydrogène (H), l'oxygèneoxygène (O), le carbonecarbone (C) et l'azoteazote (N). Ces éléments représentent 99,4 % du corps humain alors que les roches de la Terre sont largement dominées par des minéraux réfractairesréfractaires contenant essentiellement comme éléments, le ferfer (Fe), le siliciumsilicium (Si), le nickelnickel (Ni) et l'oxygène.

En fait, on parle souvent collectivement des molécules organiques en termes de CHON, voire même de CHONS, car certains ajoutent comme cinquième élément important, le soufresoufre. On les retrouve comme des ingrédients importants à la fois dans les atmosphèresatmosphères planétaires et dans les molécules comme les sucres, les alcoolsalcools et les acides aminésacides aminés simples. On les retrouve aussi dans les poussières glacées à l'origine des comètes et des astéroïdes carbonés.

Ce que le télescope James-Webb vient de permettre de faire, selon un communiqué commun à la NasaNasa et à l'ESAESA, c'est un inventaire approfondi des glaces situées dans les parties les plus profondes et les plus froides étudiées à ce jour dans un nuage moléculaire. En l'occurrence, il s'agit du nuage du Caméléon I (en abrégé Cha I pour Chamaeleon, en anglais), l'une des régions de formation d'étoiles actives les plus proches du Système solaire et contenant quelques centaines d'étoiles et de protoétoiles.

Les astrochimistes ont ainsi identifié un large éventail de molécules allant du sulfuresulfure de carbonyle, de l'ammoniacammoniac et du méthane, à la molécule organique complexe la plus simple déjà repérée par les radioastronomes depuis des décennies : le méthanol CH3OH.

Dans ce communiqué, Melissa McClure y explique que les études conduites ont fourni des résultats qui « donnent un aperçu de la phase initiale de chimie sombre de la formation de glace sur les grains de poussière interstellairespoussière interstellaires qui se transformeront en cailloux de tailles centimétriques à partir desquels les planètes se forment dans des disques. Ces observations ouvrent une nouvelle fenêtrefenêtre sur les voies de formation des molécules simples et complexes qui sont nécessaires pour fabriquer les éléments constitutifs de la vie ».

Les astronomes ont fait l'inventaire des glaces les plus profondément enfouies dans un nuage moléculaire froid à ce jour. Ils ont utilisé la lumière d'une étoile d'arrière-plan, nommée NIR38, pour éclairer le nuage noir appelé Caméléon I. Les glaces à l'intérieur du nuage ont absorbé certaines longueurs d'onde de lumière infrarouge, laissant des empreintes spectrales appelées raies d'absorption. Ces lignes indiquent quelles substances sont présentes dans le nuage moléculaire. Ces graphiques montrent les données spectrales de trois des instruments du télescope spatial James-Webb. En plus des glaces simples comme l'eau, l'équipe scientifique a pu identifier les formes congelées d'un large éventail de molécules, du dioxyde de carbone, de l'ammoniac et du méthane, à la molécule organique complexe la plus simple, le méthanol. © Nasa, ESA, CSA, and J. Olmsted (STScI), M. K. McClure (<em>Leiden Observatory</em>), K. Pontoppidan (STScI), N. Crouzet (<em>Leiden University</em>), and Z. Smith (<em>Open University</em>)
Les astronomes ont fait l'inventaire des glaces les plus profondément enfouies dans un nuage moléculaire froid à ce jour. Ils ont utilisé la lumière d'une étoile d'arrière-plan, nommée NIR38, pour éclairer le nuage noir appelé Caméléon I. Les glaces à l'intérieur du nuage ont absorbé certaines longueurs d'onde de lumière infrarouge, laissant des empreintes spectrales appelées raies d'absorption. Ces lignes indiquent quelles substances sont présentes dans le nuage moléculaire. Ces graphiques montrent les données spectrales de trois des instruments du télescope spatial James-Webb. En plus des glaces simples comme l'eau, l'équipe scientifique a pu identifier les formes congelées d'un large éventail de molécules, du dioxyde de carbone, de l'ammoniac et du méthane, à la molécule organique complexe la plus simple, le méthanol. © Nasa, ESA, CSA, and J. Olmsted (STScI), M. K. McClure (Leiden Observatory), K. Pontoppidan (STScI), N. Crouzet (Leiden University), and Z. Smith (Open University)

Une clé de la détermination de la place de la Vie dans le cosmos

« Notre identification de molécules organiques complexes, comme le méthanol et potentiellement l'éthanol, suggère également que les nombreux systèmes d'étoiles et de planètes se développant dans ce nuage particulier hériteront de molécules dans un état chimique assez avancé. Cela pourrait signifier que la présence de molécules prébiotiques dans les systèmes planétaires est un résultat commun de la formation d'étoiles, plutôt qu'une caractéristique unique de notre propre Système solaire », ajoute son collègue Will Rocha, lui aussi astronome à l'Observatoire de Leiden et qui a contribué à cette découverte.

« Ce n'est que le premier d'une série d'instantanés spectraux que nous obtiendrons pour voir comment les glaces évoluent de leur synthèse initiale aux régions de formation de comètes des disques protoplanétaires. Cela nous dira quel mélange de glaces et donc quels éléments peuvent éventuellement être livrés à la surface des exoplanètes terrestres ou incorporés dans les atmosphères de planètes géantesplanètes géantes de gazgaz ou de glace », ajoute également McClure.


Webinaire STScI par Melissa McClure sur IceAge: Chemical Evolution of Ices during Star Formation (programme ERS 1309), enregistré le 11 mars 2020. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © JWST Observer