Toute première détection de méthanol dans un disque protoplanétaire

Du méthanol détecté pour la première fois au sein d'un disque protoplanétaire.


Le vaste Réseau (Sub-)Millimétrique de l'Atacama (ALMA) a détecté du méthanol ou alcool méthylique, une molécule organique, au sein du disque protoplanétaire de TW Hydrae. Il s'agit de la toute première détection de ce composé au sein d'un disque de planètes en formation. Le méthanol est la seule molécule organique complexe jamais détectée au cœur de tels disques qui dérive, sans ambiguïté aucune, d'une forme de glace. Sa détection permet aux astronomes de mieux comprendre les processus chimiques impliqués dans la formation des systèmes planétaires et conduisant à la création des ingrédients nécessaires à l'apparition de la vie.


Le disque protoplanétaire qui entoure la jeune étoile TW Hydrae se situe non loin de la Terre, à quelque 170 années-lumière. Sa proximité en fait une cible idéale pour les astronomes impliqués dans l'étude de tels disques. En outre, ce système présente de grandes similitudes avec notre Système Solaire tel qu'il était aux premiers instants de sa formation, voilà plus de quatre milliards d'années.

Le Vaste Réseau (Sub-)Millimétrique de l'Atacama (ALMA) constitue, à l'heure actuelle, l'observatoire le plus puissant et par conséquent le plus apte à cartographier la composition chimique ainsi que la distribution spatiale de gaz froid au sein de disques situés non loin de la Terre. Ce potentiel unique vient d'être exploité par un groupe d'astronomes mené par Catherine Walsh (Observatoire de Leiden, Pays-Bas) dans le but d'étudier la chimie du disque protoplanétaire de TW Hydrae.


Les observations d'ALMA ont pour la toute première fois révélé la présence de méhanol gazeux (CH3OH) au sein d'un disque protoplanétaire. Le méthanol, un dérivé du méthane, figure parmi les molécules organiques complexes les plus grandes détectées dans un disque à ce jour. Mettre en évidence sa présence au sein d'objets situés au stade pré-planétaire constitue une étape importante dans la compréhension du mécanisme d'incorporation de molécules organiques au sein des protoplanètes.


En outre, le méthanol constitue l'un des éléments de base d'espèces plus complexes, tels les composés d'acides aminés impliqués dans la chimie prébiotique. En conséquence, le méthanol joue un rôle fondamental dans la mise en place d'une chimie organique élaborée, nécessaire à l'apparition de la vie.

Catherine Walsh, auteur principal de l'étude, revient sur cette découverte: “Détecter du méthanol au sein d'un disque protoplanétaire témoigne du potentiel unique d'ALMA, de sa capacité à sonder le réservoir de glace organique complexe dans les disques, et nous permet, pour la toute première fois, de mieux comprendre l'origine de la complexité chimique d'un site de formation planétaire autour d'une jeune étoile semblable au Soleil.”

La découverte de méthanol gazeux au sein d'un disque protoplanétaire revêt une importance cruciale dans le domaine de l'astrochimie. A la différence des autres espèces chimiques détectées dans l'espace, la création de méthanol ne résulte pas d'un simple processus chimique en phase gazeuse ni de la combinaison d'une formation à la fois en phase gazeuse et en phase solide. Le méthanol est un composé organique complexe qui se forme uniquement en phase glacée, au travers de réactions de surface sur des grains de poussière.

La finesse des observations d'ALMA a permis aux astronomes de cartographier le méthanol gazeux sur l'ensemble du disque de TW Hydrae. Un motif en forme d'anneau est apparu, ainsi qu'une émission significative à proximité de l'étoile centrale [1].

L'observation de méthanol en phase gazeuse, combinée aux informations relatives à sa distribution spatiale, indiquent que le méthanol s'est formé sur les grains de glace du disque, puis a été libéré sous forme gazeuse. Cette première observation permet de mieux comprendre la transition du méthanol de la phase glacée à la phase gazeuse [2], et plus généralement, les processus chimiques à l'œuvre au sein des environnements astrophysiques [3].


Ryan A. Loomis, l'un des co-auteurs de l'étude, ajoute: “La présence de méthanol gazeux dans le disque indique clairement l'existence de processus organiques complexes aux tous premiers stades de la formation d'étoiles et de planètes. Ce résultat a des implications sur notre compréhension du processus d'accumulation de matière organique au sein de très jeunes systèmes planétaires.”

Cette première détection réussie de méthanol froid en phase gazeuse dans un disque protoplanétaire signifie que la chimie des glaces au sein de disques peut désormais être explorée, ce qui ouvre la voie à de futures études de la chimie organique complexe à l'œuvre dans les sites de formation planétaire. Dans la chasse aux exoplanètes susceptibles d'abriter la vie, les astronomes disposent désormais d'un nouvel outil puissant.


Notes:
[1] Les données d'ALMA indiquent l'existence d'un anneau de méthanol situé entre 30 et 100 unités astronomiques (UA). S'ensuit l'hypothèse selon laquelle l'essentiel du réservoir de glace du disque se situe sur les grains de poussière les plus gros (jusqu'à quelques millimètres), à l'intérieur des 50 UA, où il s'est découplé du gaz, puis il a dérivé radialement vers l'intérieur du disque, en direction de l'étoile.

[2] Dans le cadre de cette étude, l'équipe a envisagé d'autres mécanismes que la désorption thermique (libération de méthanol à des températures supérieures à sa température de sublimation), parmi lesquels figurent la photodésorption par des photons utraviolets et la désorption réactive. L'acquisition de données plus détaillées au moyen d'ALMA devrait permettre de définitivement trancher parmi les différents scenari.

[3] La variation radiale des espèces chimiques dans la composition centrale du disque, en particulier la localisation des neiges éternelles, sont essentielles pour la compréhension de la chimie des planètes naissantes. Les neiges éternelles marquent la frontière au-delà de laquelle une espèce chimique volatile donnée se retrouve piégée (gelée) sur les grains de poussière. Par ailleurs, la détection de méhanol au sein des régions externes plus froides du disque indique que cette molécule est capable de s'échapper des grains à des températures bien inférieures à sa température de sublimation, requise pour donner lieu à une désorption thermique.

Plus d'informations:
Ce travail de recherche a fait l'objet d'un article intitulé “First detection of gas-phase methanol in a protoplanetary disk”, par Catherine Walsh et al., paru au sein de la revue Astrophysical Journal, Volume 823, Number 1.

L'équipe est composée de Catherine Walsh (Observatoire de Leiden, Université de Leiden, Leiden, Pays-Bas), Ryan A. Loomis (Centre d'Astrophysique Harvard-Smithson, Cambridge, Massachusetts, Etats-Unis), Karin I. Öberg (Centre d'Astrophysique Harvard-Smithson, Cambridge, Massachusetts, Etats-Unis), Mihkel Kama (Observatoire de Leiden, Université de Leiden, Leiden, Pays-Bas), Merel L. R. van't Hoff (Observatoire de Leiden, Université de Leiden, Leiden, Pays-Bas), Tom J. Millar (Ecole de Mathématique et de Physique, Université de la Reine de Belfast, Belfast, Royaume-Uni), Yuri Aikawa (Centre de Calcul Scientifique, Université de Tsukuba, Tsukuba, Japon), Eric Herbst (Départements de Chimie et d'Astronomie, Université de Virginie, Charlottesville, Virginie, Etats-Unis), Susanna L. Widicus Weaver (Département de Chimie, Université Emory, Atlanta, Géorgie, Etats-Unis) et Hideko Nomura (Département des Sciences de la Terre et des Planètes, Institut de Technologie de Tokyo, Tokyo, Japon).