Publié le 22 février 2024 – Mis à jour le 26 février 2024

Une équipe internationale impliquant pour la partie française des scientifiques de l’Université Paris-Saclay, de l’université Toulouse III - Paul Sabatier, du laboratoire commun INCLASS (IAS/ACRI-ST), de l’Observatoire de Paris-PSL, de l’Université Grenoble Alpes, du CNRS et du CNES, vient de mettre en évidence la destruction et la reformation d’une grande quantité d’eau dans un disque protoplanétaire situé au cœur de la nébuleuse d’Orion. Cette découverte a été rendue possible par une approche pluridisciplinaire originale combinant des observations du télescope spatial JWST et des calculs de physique quantique. Cette étude, effectuée dans le cadre du programme Early Release Science (ERS) PDRs4All et dirigée par une jeune chercheuse, Marion Zannese, doctorante à l’Université Paris-Saclay, vient d’être publiée dans la revue Nature Astronomy.

L'eau est essentielle à la vie telle que nous la connaissons. Sur Terre, la majorité de l’eau de nos océans aurait été formée bien avant la naissance du Système solaire, dans des régions froides de l’espace interstellaire (-250 °C). Cependant, une fraction de cette eau pourrait avoir été détruite et formée à nouveau à plus haute température (100-500 °C) lorsque le Système solaire n’était encore qu’un disque de gaz et de poussières orbitant autour de notre jeune soleil.

Pour comprendre ce mystérieux cycle de disparition puis réapparition de l’eau, les astronomes ont tourné le télescope James Webb (JWST) vers “d203-506”, un disque protoplanétaire situé dans la Nébuleuse d’Orion, une pouponnière de systèmes planétaires. Le rayonnement ultraviolet intense produit par des étoiles massives entraîne la destruction et la reformation de l’eau dans d203-506, ce qui en fait un véritable laboratoire interstellaire.
 

Mais comment mettre en évidence la formation et la destruction de molécules situées à plus de mille années lumières de la Terre ? C’est une collaboration avec des experts en dynamique quantique , participant à la partie modélisation, qui a permis de relever le défi. Lors de la destruction de l’eau (H2O) par l’ultraviolet, une molécule d’hydroxyle (OH) est libérée avec un mouvement de rotation vertigineux, suivi de l’émission de photons dans l’infrarouge moyen qui voyagent jusqu’au JWST. Au total on estime que l’équivalent d’un océan terrestre est ainsi détruit tous les mois dans le jeune système d203-506.

Mais l’histoire ne s’arrête pas là. Par un mécanisme similaire d’émission de photons dans l’infrarouge proche, JWST nous révèle que l’hydroxyle est produit en abondance à partir de l’oxygène atomique par la réaction O+H2. Or celui-ci est justement un intermédiaire clé dans la formation de l’eau puisqu’il réagit ensuite avec H2 pour former l’eau par la réaction OH+H2. Le cycle de destruction / formation est bouclé. Une partie de l’eau constituant nos océans pourrait être passée par un tel cycle.
 
Référence
OH as a probe of the warm water cycle in planet-forming disks
Marion Zannese, Benoît Tabone, Emilie Habart, Javier R. Goicoechea, Alexandre Zanchet, Ewine F. van Dishoeck, Marc C. van Hemert, John H. Black, Alexander G. G. M. Tielens, A. Veselinova, P. G. Jambrina, M. Menendez, E. Verdasco, F. J. Aoiz, L. Gonzalez-Sanchez, Boris Trahin, Emmanuel Dartois, Olivier Berné, Els Peeters, Jinhua He, Ameek Sidhu, Ryan Chown, Ilane Schroetter, Dries Van De Putte, Amélie Canin, Felipe Alarcón, Alain Abergel, Edwin A. Bergin, Jeronimo Bernard-Salas, Christiaan Boersma, Emeric Bron, Jan Cami, Daniel Dicken, Meriem Elyajouri, Asunción Fuente, Karl D. Gordon, Lina Issa, Christine Joblin, Olga Kannavou, Baria Khan, Ozan Lacinbala, David Languignon, Romane Le Gal, Alexandros Maragkoudakis, Raphael Meshaka, Yoko Okada, Takashi Onaka, Sofia Pasquini, Marc W. Pound, Massimo Robberto, Markus Röllig, Bethany Schefter, Thiébaut Schirmer, Sílvia Vicente, Mark G. Wolfire
Nature Astronomy le 23 février 2024 

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