Le télescope James-Webb révèle ce qui se passe lorsque des mondes entrent en collision : un spectacle d'une violence extrême

On a parfois dit que l'astrophysique n'est pas une vraie science car, contrairement à la physique bien terrestre, nous ne contrôlons pas les paramètres de la physique des astres et nous ne pouvons donc pas faire d'expérience pour les varier et voir ce qui se passe pour tester des théories.

C'est oublier que l'Univers lui-même est un grand laboratoire faisant tout le travail pour nous avec une pléthore d'astres avec des températures, des masses, des compositions chimiques, etc. différentes. La tâche des astrophysiciens est donc d'étudier un grand nombre de ces astres différents.

On sait qu'ils disposent d'un nouvel outil remarquable dans ce but depuis quelques années : le télescope spatial James-Webb (JWST). Il est régulièrement sur le devant de la scène pour des observations de galaxies et de trous noirs lointains, mais aussi d'exoplanètes. Il ne se limite pas à ces objets, comme on peut le voir avec un article récemment publié dans The Astrophysical Journal.

Un cas extrême de disque de débris

Une équipe d'astrophysiciens s'est en effet penchée avec lui sur ce que l'on appelle des disques de débris et plus précisément ceux que l'on appelle extrêmes.

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D'après les modèles de formation des planètes, elles commencent à naître dans un disque protoplanétaire riche en gaz et en poussière dont la durée de vie est d'environ 10 millions d'années, après quoi, le gaz s'est largement évaporé sous l'action du rayonnement ultraviolet d'un jeune soleil, mais aussi de ceux dans la pouponnière d'étoiles dans un amas ouvert où il est né. Il laisse alors la place à ce qui est appelé un disque de débris avec des distributions de poussières froides et où les embryons de planètes et les planétésimaux (voir les explications de Sean Raymond dans la vidéo ci-dessous) continuent à interagir via des collisions, parfois géantes comme celle qui a très probablement été à l'origine de la Lune.

Sean Raymond, astrophysicien au Laboratoire d'astrophysique de Bordeaux, nous parle plus précisément de la formation du Système solaire selon le scénario standard par accrétion de planétésimaux donnant des embryons planétaires. © Ideas in Science

Grâce au James-Webb, des astronomes ont étudié 21 disques de débris extrêmes entourant de jeunes étoiles. Ces systèmes sont caractérisés par le fait qu'ils contiennent énormément de poussières chaudes et seraient les signatures de collisions catastrophiques entre embryons planétaires.

L'analyse spectrale dans l'infrarouge permet de distinguer deux types principaux de ces disques :

• environ un tiers sont riches en silice, probablement produits par des collisions frontales et extrêmement énergétiques entre des corps de la taille de Mars, capables de vaporiser une grande quantité de roche ;
• environ deux tiers sont pauvres en silice et pourraient provenir de collisions moins violentes, car rasantes, entre objets comparables à la Lune.

Les disques riches en silice ne sont observés qu'autour d'étoiles de moins de 300 millions d'années, ce qui correspond précisément à l'époque où les planètes rocheuses sont censées se former.

En étudiant la composition de disques de débris extrêmes, les scientifiques ont déduit que les disques riches en silice résultent d'impacts à haute énergie impliquant des objets de la taille de Mars, tandis que les disques pauvres en silice sont formés par des événements moins énergétiques impliquant des corps de la taille de la Lune. Le schéma ci-dessous indique une chronologie pour le Système solaire avec la formation de la Lune (moon en anglais) lors d'un impact géant et le Grand Bombardement tardif. On peut mettre en regard cette chronologie avec les données du JWST concernant les disques de débris et leurs âges. © Nasa, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Une fenêtre sur l'évolution précoce du Système solaire

Cette découverte renforce donc indirectement le scénario de la formation de la Lune par l'impact géant de Théia avec la Terre, environ 100 millions d'années après la naissance du Soleil.

Les disques pauvres en silice, observés également autour d'étoiles plus âgées, pourraient quant à eux être liés à des épisodes ultérieurs d'instabilité orbitale et de collisions, comparables à ceux que le Système solaire aurait connus lors du Grand Bombardement tardif.

Le JWST nous livre donc des observations qui montrent sous nos yeux des étapes primitives en cours de la formation et de l'évolution des systèmes planétaires, lesquelles devraient être similaires à celles, bien plus anciennes, qui ont eu lieu il y a plus de 4 milliards d'années dans le Système solaire.

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