En combinant leurs forces, les réseaux de radiotélescopes VLA et Alma nous montrent des images inédites de centaines de disques protoplanétaires entourant de jeunes proto-étoiles dans le fameux complexe d'Orion, où se trouve la nébuleuse du même nom. Ces images devraient nous aider à mieux comprendre la naissance des étoiles et des planètes.

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[EN VIDÉO] Nébuleuse d'Orion : une pouponnière d'étoiles dans la constellation du chasseur Cette superbe animation a été réalisée par des équipes du STScI et du Caltech à partir d’imagenull

Lorsque Kant et Laplace ont proposé la première théorie scientifique de la formation du Système solaireSystème solaire avec ses planètes et le SoleilSoleil, respectivement en 1755 et 1796, ils ne pouvaient certainement pas rêver qu'elle serait spectaculairement vérifiée par les observations aujourd'hui accessibles à des instruments comme le Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) et l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma). Il s'agit en effet de radiotélescopesradiotélescopes. Non seulement il avait fallu attendre la découverte du rayonnement infrarougeinfrarouge en 1800 par l'astronomeastronome britannique William HerschelWilliam Herschel et du rayonnement ultravioletultraviolet en 1801 par le physicienphysicien allemand Johann Wilhelm Ritter pour se rendre compte qu'il existait autre chose que le spectrespectre de la lumièrelumière visible, mais la lumière elle-même à cette époque n'était pas encore comprise dans le cadre de la théorie des ondes. On préférait la modéliser selon les idées de NewtonNewton, c'est-à-dire en la supposant formée de particules.

Alma et le VLA ont observé plus de 300 proto-étoiles et leurs jeunes disques protoplanétaires dans le complexe d'Orion. Cette image montre une fraction de ces étoiles, dont quelques étoiles binaires. Les données d'Alma et de VLA se complètent mutuellement : Alma voit la structure du disque externe (visualisée en bleu), et le VLA observe les parties internes des disques et les proto-étoiles (en orange). © Alma (ESO/NAOJ/NRAO), J. Tobin ; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
Alma et le VLA ont observé plus de 300 proto-étoiles et leurs jeunes disques protoplanétaires dans le complexe d'Orion. Cette image montre une fraction de ces étoiles, dont quelques étoiles binaires. Les données d'Alma et de VLA se complètent mutuellement : Alma voit la structure du disque externe (visualisée en bleu), et le VLA observe les parties internes des disques et les proto-étoiles (en orange). © Alma (ESO/NAOJ/NRAO), J. Tobin ; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

Des pouponnières de proto-étoiles dans Orion

Une équipe internationale de radioastronomes livre pourtant aujourd'hui des images radioradio de plusieurs centaines de disques protoplanétaires autour de jeunes étoiles et proto-étoilesproto-étoiles en accord avec la théorie visionnaire de Kant-Laplace, basée sur quelques idées de la physiquephysique de Newton.

Ces images en fausses couleurscouleurs proviennent de la combinaison par les ordinateursordinateurs théorisés par Alan Turing des ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques à différentes longueurs d'ondelongueurs d'onde, que le VLA et Alma ont collectées en tournant leur regardregard métallique vers le nuagenuage moléculaire complexe d'Orion (appelé aussi le complexe d'Orion car il contient en fait plusieurs nuages ainsi que d'autres objets). Situé dans la constellation d'Orionconstellation d'Orion, on le confond parfois avec plusieurs de ces composantes en particulier M42, la nébuleuse d'Orion. D'autres composantes de ces nuages sont ainsi célèbres comme la nébuleuse de la Tête de Cheval et la nébuleusenébuleuse de la Flamme (NGCNGC 2024).

Les nuages moléculaires d'Orion (bleu, comme on le voit avec les images prises par la mission Herschel) sont situés dans la constellation d'Orion. Les points rouges indiquent les emplacements des proto-étoiles observées dans le relevé Vandam. © IAU ; Sky & Telescope magazine ; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello ; Herschel/ESA ; Alma (ESO/NAOJ/NRAO), J. Tobin
Les nuages moléculaires d'Orion (bleu, comme on le voit avec les images prises par la mission Herschel) sont situés dans la constellation d'Orion. Les points rouges indiquent les emplacements des proto-étoiles observées dans le relevé Vandam. © IAU ; Sky & Telescope magazine ; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello ; Herschel/ESA ; Alma (ESO/NAOJ/NRAO), J. Tobin

Les images synthétisées par interférométrie (on combine les observations de plusieurs petits radiotélescopes espacés pour obtenir l'équivalent d'un très grand instrument) grâce à la nature ondulatoire de la lumière ont été constituées à l'aide des données de la campagne d'observations baptisée VLA/Alma Nascent Disk and Multiplicity (Vandam), la plus grande menée à ce jour concernant de jeunes étoiles avec leurs disques protoplanétairesdisques protoplanétaires. Deux articles sur arXiv accompagnent leur mise en ligne dans un communiqué du National Radio Astronomy Observatory (NRAO).

Cette image montre les nuages moléculaires d'Orion, la cible du levé Vandam. Les points jaunes sont les emplacements des proto-étoiles observées sur une image de fond bleu réalisée par les instruments dans l'espace de la mission Herschel. Les panneaux latéraux montrent neuf jeunes proto-étoiles imagées par Alma (bleu) et le VLA (orange). Alma (ESO/NAOJ/NRAO), J. Tobin ; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello ; Herschel/ESA
Cette image montre les nuages moléculaires d'Orion, la cible du levé Vandam. Les points jaunes sont les emplacements des proto-étoiles observées sur une image de fond bleu réalisée par les instruments dans l'espace de la mission Herschel. Les panneaux latéraux montrent neuf jeunes proto-étoiles imagées par Alma (bleu) et le VLA (orange). Alma (ESO/NAOJ/NRAO), J. Tobin ; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello ; Herschel/ESA

Un laboratoire pour tester les variantes de la théorie de Kant-Laplace

Rappelons que dans ses grandes lignes, la forme moderne de la théorie de Kant-Laplace est la suivante. Tout commence par un grand nuage moléculaire, initialement très froid, contenant du gazgaz et des poussières. Sous certaines conditions il va s'effondrer gravitationnellement et devenir turbulent. Il va alors se fractionner en plusieurs petits nuages plus denses et en rotation de plus en plus rapide, avec un moment cinétiquemoment cinétique, au fur et à mesure que la contraction se poursuit.

La force centrifugeforce centrifuge perpendiculaire à l'axe de rotation va tendre à s'opposer à l'effondrementeffondrement gravitationnel de sorte qu'un disque se forme perpendiculaire à cet axe. Il apparaît aussi au cœur du nuage une zone plus dense qui s'échauffe en se comprimant. Elle rayonne en donnant ce que l'on appelle une proto-étoile, alors que le reste de l'enveloppe de gaz et de poussière continue à tomber sur le disque et la proto-étoile qui grossissent. À un moment, les températures au centre de la proto-étoile permettent l'allumage des réactions de fusionfusion thermonucléaire et une étoile est née.

Ce schéma montre une voie proposée (rangée du haut) pour la formation des proto-étoiles avec disques protoplanétaires, basée sur quatre très jeunes proto-étoiles (rangée du bas) observées par le VLA (orange) et Alma (bleu). L'étape 1 représente une nébuleuse froide de gaz et de poussière qui s'effondre. À l'étape 2, une région opaque au rayonnement commence à se former dans le nuage qui s'échauffe. À l'étape 3, un noyau hydrostatique commence à se former en raison d'une augmentation de la pression et de la température, entouré d'une structure en forme de disque et du début d'un écoulement de matière sous forme de jets. L'étape 4 décrit la formation d'une proto-étoile de classe 0 à l'intérieur de la région opaque, qui peut avoir un disque en rotation et des jets mieux définis. L'étape 5 est une proto-étoile de classe 0 typique avec des jets qui ont traversé l'enveloppe (la rendant optiquement visible), un disque d'accrétion actif en rotation. Dans la rangée du bas, les contours blancs sont les jets des proto-étoiles comme on les voit avec Alma. © Alma (ESO/NAOJ/NRAO), N. Karnath ; NRAO/AUI/NSF, B. Saxton and S. Dagnello
Ce schéma montre une voie proposée (rangée du haut) pour la formation des proto-étoiles avec disques protoplanétaires, basée sur quatre très jeunes proto-étoiles (rangée du bas) observées par le VLA (orange) et Alma (bleu). L'étape 1 représente une nébuleuse froide de gaz et de poussière qui s'effondre. À l'étape 2, une région opaque au rayonnement commence à se former dans le nuage qui s'échauffe. À l'étape 3, un noyau hydrostatique commence à se former en raison d'une augmentation de la pression et de la température, entouré d'une structure en forme de disque et du début d'un écoulement de matière sous forme de jets. L'étape 4 décrit la formation d'une proto-étoile de classe 0 à l'intérieur de la région opaque, qui peut avoir un disque en rotation et des jets mieux définis. L'étape 5 est une proto-étoile de classe 0 typique avec des jets qui ont traversé l'enveloppe (la rendant optiquement visible), un disque d'accrétion actif en rotation. Dans la rangée du bas, les contours blancs sont les jets des proto-étoiles comme on les voit avec Alma. © Alma (ESO/NAOJ/NRAO), N. Karnath ; NRAO/AUI/NSF, B. Saxton and S. Dagnello

Ce scénario est simple mais il cache des zones d'ombre que l'on aimerait mieux comprendre, par exemple en ce qui concerne la massemasse et l'épaisseur du disque protoplanétaire qui s'est formé et où vont donc naître les planètes, ainsi que la façon dont la proto-étoile et l'étoile se débarrassent d'une partie du moment cinétique initial. On a découvert ce problème avec le Système solaire car le Soleil tourne trop lentement sur lui-même dans le scénario initial de Kant-Laplace, ce qui l'avait fait rejeter au XIXe siècle. On explique aujourd'hui ce ralentissement en faisant notamment intervenir des jets de matièrematière qui emportent du moment cinétique et que l'on observe bel et bien.

Vandam fournit justement des informations pour mieux répondre à toutes ces questions. C'est ce qu'explique l'astronome John Tobin qui a mené l'équipe de recherche : « Cette campagne d'observations a révélé la masse et la taille moyennes des très jeunes disques protoplanétaires. Nous pouvons désormais les comparer à des disques plus anciens qui ont également fait l'objet d'études approfondies avec Alma ».

Les chercheurs ont ainsi notamment découvert, comme l'explique le communiqué du NRAO, que les très jeunes disques peuvent être de taille similaire, mais sont en moyenne beaucoup plus massifs que les disques plus anciens. John Tobin précise donc que « Lorsqu'une étoile grandit, elle ronge de plus en plus de matière de son disque. Cela signifie que les disques plus jeunes contiennent beaucoup plus de matériaux à partir desquels les planètes pourraient naître. Des planètes probablement grosses commencent déjà à se former autour de très jeunes étoiles ».