Le télescope James-Webb sur la piste des secrets de la vie dans la chimie des glaces des embryons de planètes

Le télescope James-Webb est un nouvel outil au service des exobiologistes non seulement pour explorer le monde des exoplanètes, en particulier pour analyser la composition de leurs atmosphères en espérant trouver des biosignatures (bien qu'elles soient encore quelque peu élusives), mais aussi en explorant l'astrochimie dans les nuagesnuages moléculaires et poussiéreux, denses et froids qui peuvent donner des pouponnières d'étoiles en s'effondrant gravitationnellement.

Sommes-nous seuls dans l'Univers ? Cette question hante l'humanité depuis des décennies, et nous sommes plus proches que jamais d'y répondre ! © Futura

On sait qu'il existe des molécules organiques dans ces nuages depuis des décennies, et même des poussières silicatées et carbonées entourées d'une gangue de glace. On suspecte une chimie prébiotique complexe et intéressante potentiellement pour comprendre l'apparition de la vie sur des exoplanètes dans ces glaces. Dans le précédent article ci-dessous, Futura avait abordé ces questions en rapport avec des observations du James-Webb.

Aujourd'hui, la Nasa fait part d'autres observations similaires et prolongeant les précédentes effectuées par une équipe internationale d'astrophysiciensastrophysiciens qui a utilisé le MiriMiri (Mid-Infrared Instrument) de Webb pour identifier des spectresspectres quantiques dans l'infrarougeinfrarouge d'une variété de composés glacés constitués de mélanges de molécules organiques complexes, comme l'éthanol (l'alcoolalcool bien connu), et probablement l'acideacide acétique (un ingrédient du vinaigre). Les observations ont été conduites dans le cadre du programme JOYS+ (James Webb Observations of Young ProtoStars).

Le Miri (Mid-Infrared Instrument) du télescope spatial James-Webb de la Nasa a identifié une variété de molécules organiques complexes présentes dans les glaces interstellaires entourant deux protoétoiles. Ces molécules, qui sont des ingrédients clés pour créer des mondes potentiellement habitables, comprennent l'éthanol, l'acide formique (qui provoque la sensation de brûlure d’une piqûre de fourmi), le méthane et probablement l'acide acétique, en phase solide. Cette découverte est issue de l'étude de deux protoétoiles, IRAS 2A et IRAS 23385, toutes deux si jeunes qu'elles ne forment pas encore de planètes. L’équipe scientifique a également détecté des molécules plus simples comme le méthane, le formaldéhyde et le dioxyde de soufre. Les recherches suggèrent que les composés contenant du soufre, comme le dioxyde de soufre, ont joué un rôle important dans les réactions métaboliques sur la Terre primitive. © Nasa, ESA, CSA, L. Hustak (STScI). Sciences : W. Rocha (Université de Leiden)

Comme l'explique la publication disponible sur arXiv des chercheurs, les molécules ont été identifiées par leurs empreintes dans la lumièrelumière en provenance de deux jeunes protoétoiles connues sous les noms d'IRAS 2A et IRAS 23385 dans le catalogue dressé à partir des observations de l'Infrared Astronomical Satellite (Iras) - un télescope spatialtélescope spatial dont l'objectif était de réaliser un relevé complet des sources émettant dans les fréquencesfréquences infrarouges au début des années 1980, un ancêtre de Spitzer.

Quelle est l’origine des molécules organiques complexes dans l’espace ?

Comme l'explique dans le communiqué de la Nasa Will Rocha, de l'université de Leiden aux Pays-Bas et qui a dirigé le travail aujourd'hui exposé dans un article de The journal Astronomy & Astrophysics : « Cette découverte contribue à répondre à une des questions de longue date en astrochimie : Quelle est l'origine des molécules organiques complexes, ou COM (NdR-complex organic molecules en anglais), dans l'espace ? Sont-elles fabriquées en phase gazeuse ou dans des glaces ? La détection de COM dans les glaces suggère que les réactions chimiquesréactions chimiques en phase solidesolide à la surface des grains de poussière froids peuvent créer des types complexes de molécules ».

On avait déjà détecté ces molécules en phase gazeuse chaude, et pour les chercheurs il semble maintenant qu'elles proviennent directement de la sublimationsublimation de gangues de glace entourant des poussières et à l'intérieur desquelles elles se sont formées sous l'effet du rayonnement ultravioletultraviolet de jeunes étoiles proches.

Un scénario pour la Terre primitive ?

Selon le scénario avancé par les astrophysiciens, ces poussières glacées contenant les molécules détectées seraient plus facilement intégrés dans les disques protoplanétairesdisques protoplanétaires autour des jeunes étoiles que les molécules qu'elles contiennent sous forme gazeuse. On les retrouverait donc dans les comètes et les astéroïdesastéroïdes bombardant des embryonsembryons de planètes, les dotant déjà de molécules complexes pour faire démarrer la vie sur des mondes habitables.

C'est peut-être ce scénario qui s'est déroulé dans le cas du Système solaireSystème solaire et de la Terre primitive et comme Futura l'expliquait plus en détail dans le précédent article ci-dessous, il est peut-être une clé de la détermination de la place de la vie dans le cosmoscosmos. IRAS 2A, une protoétoileprotoétoile de faible massemasse qui n'est pas sans analogieanalogie avec ce que devait être notre SoleilSoleil quand lui-même était une protoétoile. Grâce au James-Webb et à IRAS 2A, nous sommes peut-être en train d'étudier en direct d'une certaine façon la naissance du Système solaire il y a plus de 4,5 milliards d'années.

Cette image à une longueur d'onde de 15 microns a été prise par Miri (l'instrument infrarouge moyen) sur le télescope spatial James-Webb de la Nasa, d'une région proche de la protoétoile connue sous le nom d'IRAS 23385. IRAS 23385 et IRAS 2A (non visibles sur cette image) ont été les cibles d'un récent effort de recherche mené par une équipe internationale d'astronomes qui a utilisé le Webb pour découvrir que les ingrédients clés pour créer des mondes potentiellement habitables sont présents dans les protoétoiles à un stade précoce, où les planètes ne se sont pas encore formées. © Nasa, ESA, CSA, W. Rocha (Université de Leiden)

Le télescope James-Webb perce les secrets de la chimie des glaces des embryons de planètes

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco, publié le 25 janvier 2023

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 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 exoplanètes et la chimiechimie prébiotiqueprébiotique de la matièrematière dans les nuages moléculaires poussiéreux denses et froids qui par leur effondrementeffondrement gravitationnel peuvent donner des étoiles entourées de disques protoplanétaires et finalement de planètes.

Une vue d'artiste des poussières interstellaires glacées que l'on peut trouver dans les nuages moléculaires où naissent les étoiles, comme ceux de la nébuleuse de l'Aigle à gauche en arrière fond. © Leiden University

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 prébiotiques 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)

L'exobiologie et la glace cosmique

La radioastronomie nous a appris qu'il existait bien des molécules 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 photonsphotons ultraviolets des jeunes étoiles, du chauffage des ondes de choc et du bombardement des rayons cosmiquesrayons cosmiques, des réactions 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'astéroïdes et de comètescomètes au début de l'HadéenHadéen.

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'infrarouge du télescope 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

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 minérauxminéraux 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 alcools 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 Nasa 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 (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.