Des astronomes résolvent l'énigme du monoxyde de carbone dans les disques protoplanétaires

Le monoxyde de carbonemonoxyde de carbone est un composé extrêmement courant dans les disques protoplanétaires, ces régions de poussières et de gaz où les planètes se forment autour de jeunes étoiles, ce qui en fait une cible de choix pour les scientifiques. Cependant, les observations faites depuis une dizaine d'années montrent des abondances très inférieures à celles prédites : « selon le système observé, la quantité de monoxyde de carbone est de trois à cent fois inférieure à ce qu'elle devrait être », explique Diana Powell, Nasa Hubble Fellow au Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian.

Quand le gaz devient glace

Un nouveau modèle, validé par des observations effectuées avec Alma, a résolu le mystère : le monoxyde de carbone se cacherait dans des formations de glace à l'intérieur des disques. Les résultats de Powell et ses collaborateurs sont décrits dans un article paru dans Nature Astronomy.

Les imprécisions sur le monoxyde de carbone pourraient avoir d'énormes implications pour le domaine de l'astrochimie : « Le monoxyde de carbone est essentiellement utilisé pour tracer tout ce que nous savons sur les disques, comme leur masse, leur composition et leur température, explique Powell. Cela pourrait signifier que bon nombre de nos résultats pour les disques sont biaisés et incertains parce que nous ne comprenons pas assez bien le composé. ».

Powell, experte en physique des changements de phase, a apporté des modifications à un modèle astrophysiqueastrophysique actuellement utilisé pour étudier les nuagesnuages sur les exoplanètesexoplanètes. « Ce qui est vraiment spécial avec ce modèle, c'est qu'il a une physique détaillée de la façon dont la glace se forme sur les particules, donc de comment la glace s'accumule sur de petites particules puis comment elle se condense. Le modèle suit soigneusement où se trouve la glace, sur quelle particule elle se trouve, quelle est la taille des particules et comment elles se déplacent. »

Vue d'artiste d'un disque protoplanétaire où du monoxyde de carbone devient glace. © M. Weiss, Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian

Un modèle qui colle aux observations

Powell a appliqué le modèle à plusieurs disques planétaires dans l'espoir de mieux comprendre la façon dont le monoxyde de carbone évolue au fil du temps dans les pépinières planétaires. Pour tester la validité du modèle, Powell a ensuite comparé ses résultats aux observations réelles de monoxyde de carbone par Alma dans quatre disques bien étudiés : TW Hydrae, HD 163296, DM Tauri et IM Lupi.

Selon Powell, les résultats et les modèles ont très bien fonctionné. Le nouveau modèle collait à chaque observation, montrant que les quatre disques ne manquaient pas de monoxyde de carbone mais que ce dernier s'était juste transformé en glace, actuellement indétectable avec un télescopetélescope. Les observatoires radioobservatoires radio comme Alma permettent en effet aux astronomesastronomes de voir le monoxyde de carbone dans l'espace dans sa phase gazeuse, mais la glace est beaucoup plus difficile à détecter avec la technologie actuelle, en particulier les grandes formations de glace.

Le modèle montre que, contrairement à ce qu'on pensait jusque-là, le monoxyde de carbone se forme sur de grosses particules de glace, surtout après un million d'années. Avant un million d'années, le monoxyde de carbone gazeux est abondant et détectable dans les disques.

Powell explique que « cela change la façon dont nous pensions que la glace et le gaz étaient distribués dans les disques. Cela montre également qu'une modélisationmodélisation détaillée comme celle-ci est importante pour comprendre les principes fondamentaux de ces environnements ».

Powell espère que son modèle pourra être davantage validé en utilisant des observations faites avec le télescope spatialtélescope spatial James-Webb, qui est peut-être assez puissant pour enfin détecter la glace dans les disques, mais cela reste à voir.