Le JWST nous offre une nouvelle vision sur la Nébuleuse d’ORION

Un communiqué de presse commun au CNRS, à l’Université Paris-Saclay, l’Observatoire de Paris, l’université PSL (Paris Sciences et Lettres) et du CNES, daté du 12 septembre nous fait part de ces extraordinaires premières images de la Nébuleuse d’Orion obtenues avec le JWST.

Le programme Early Release Science sur la barre d’Orion (PDRs4All) est co-dirigé par Olivier Berné (IRAP), Amélie Habart (IAS) et Els Peeters de l’Université Western Ontario (Canada). Ce programme associe plusieurs chercheurs et ingénieurs de l’IAS + IRAP qui font un travail formidable dont notamment Boris Trahin à l’IAS et Amélie Canin à l’IRAP.

Située dans la constellation d’Orion, à 1350 années-lumière de la Terre, la nébuleuse d’Orion est une région riche en matière où se forment de nombreuses étoiles. Son environnement est similaire à celui dans lequel notre système solaire est né il y a plus de 4,5 milliards d’années. L’étudier permet aux chercheurs de comprendre les conditions dans lesquelles notre système solaire s’est formé.

Curieusement les sites officiels de la NASA n’en ont pas fait un grand buzz, alors que ces résultats stupéfiants ont fait l’objet de nombreuses publications dans tous les médias nationaux (tapez sur votre clavier JWST NEWS Orion et vous serez surpris du résultat). C’est peut-être, sans rentrer dans une polémique qui n’a certainement pas lieu d’être, que ce programme a été concocté, réalisé et analysé par des chercheurs hors US, une majorité d’européens et de Canadiens, dont un grand nombre de français.

C’est en effet une équipe de recherche internationale (18 pays) qui vient avec le JWST de révéler les premières images de la nébuleuse d’Orion, la pouponnière d’étoiles la plus riche et la plus proche du Système solaire, grâce à la caméra NIRCam. Elles démontrent une fois encore les performances exceptionnelles de cet instrument. Co-dirigées par des scientifiques du CNRS, de l’Université Paris-Saclay et de l’Université Western Ontario (Canada), ces observations ont également impliqué des astronomes de l’Observatoire de Paris-PSL soutenus par le CNES et bien d’autres encore dans l’hexagone.

Ces recherches ont été menées par de nombreux scientifiques français, de l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie (CNRS/CNES/UT3 Paul Sabatier), de l’Institut d’astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Saclay), du Laboratoire d’études du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères (Observatoire de Paris – PSL/CNRS/Sorbonne Université/Université de Cergy-Pontoise), de l’Institut des sciences moléculaires d’Orsay (CNRS/Université Paris-Saclay), de l’Institut de planétologie et d’astrophysique de Grenoble (CNRS/UGA), du Laboratoire de physique de l’École normale supérieure (CNRS/ENS-PSL/Sorbonne Université/Université Paris Cité), du Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (CNRS/Université Paris Saclay), de l’Institut de physique de Rennes (CNRS/Université de Rennes 1), de l’Institut d’astrophysique de Paris (CNRS/Sorbonne Université), du laboratoire Astrophysique, instrumentation, modélisation (CNRS/CEA/Université Paris Cité), de l’Institut des sciences moléculaires (CNRS/Bordeaux INP/Université de Bordeaux) et du Laboratoire de chimie et physique quantiques (CNRS/UT3 Paul Sabatier).

C’est la toute première fois que le JWST s’intéresse à cette nébuleuse, et les spécialistes se frottent déjà les mains. Il s’agit en effet d’un des objets d’étude préférés des astronomes, et pour cause : c’est une pouponnière stellaire de première catégorie qui se démarque par sa proximité avec le système solaire et son activité exceptionnelle.

Cette région de l’espace est particulièrement intéressante pour les spécialistes. Elle regorge en effet d’indices sur certaines thématiques centrales de l’astrophysique. Étudier ces nurseries stellaires, c’est la promesse de faire de grandes découvertes sur les conditions et les mécanismes qui régissent la formation des étoiles, et par extension la dynamique globale du cosmos

Le problème, c’est que ces zones de formation d’étoiles sont très difficiles à observer. Elles sont régulièrement masquées par les immenses nuages de poussière et de gaz qui servent de matière première à la formation de ces astres. Pour des télescopes d’ancienne génération comme Hubble, il était quasiment impossible de jeter un œil dans la partie la plus intéressante, à savoir le cœur de la pouponnière.

Comparaison Hubble et JWST. La différence est saisissante ! Crédit pour l’image HST: NASA/STScI/Rice Univ./C.O’Dell et al. Détails techniques : L’image HST utilise la mosaïque WFPC2. Cette image composite utilise [OIII] (bleu), l’hydrogène ionisé (vert) et [NII] (rouge). 

Mais ces obstacles, les yeux infrarouges du JWST n’en ont que faire. Depuis son entrée en fonction, les chercheurs se sont donc empressés de braquer son objectif sur les pouponnières les plus remarquables. On peut par exemple citer la nébuleuse de la Carène et le cœur de la Nébuleuse de la Tarentule (voir https://www.jwst.fr/2022/09/nouvelle-vision-de-la-tarentule/)

Le JWST s’est aventuré du côté de la constellation d’Orion. L’occasion de redécouvrir la nébuleuse du même nom sous un nouveau jour. Les astronomes peuvent enfin découvrir ce qui se cache au cœur de cette structure. Les dernières images dont disposaient les astronomes émanaient du télescope infrarouge Spitzer.

La région intérieure de la nébuleuse d’Orion vue par le télescope spatial Spitzer (à gauche) et le JWST (à droite). Les deux images ont été enregistrées avec un filtre particulièrement sensible à l’émission de poussières d’hydrocarbures qui brille sur toute l’image. Cette comparaison illustre de façon frappante le fait que les images du JWST sont incroyablement nettes en comparaison avec son précurseur. Cela ressort immédiatement des filaments complexes, mais les yeux acérés du JWST nous permettent également de mieux distinguer les étoiles des globules et des disques protoplanétaires. Crédits pour l’image de NIRCan : NASA, ESA, CSA, PDRs4All ERS Team; traitement de l’image Olivier Berné. Source de l’image : NASA/JPL-Caltech/T. Megeath (Université de Toledo, Ohio)
Détails techniques : L’image de Spitzer montre l’image infrarouge obtenue à 3,6 microns  par la caméra IRAC. L’image JWST montre la lumière infrarouge à 3,35 microns capturée par la caméra NIRCam. Les pixels noirs sont des artefacts dus à la saturation des détecteurs par des étoiles brillantes.

Nouvelle et somptueuse image de la nébuleuse d’Orion vue avec l’instrument NIRCam du JWST

On distingue sur cette nouvelle image de grands filaments de matière plutôt denses, un peu comme ceux qui ont été décrits dernièrement dans la nébuleuse de la Tarentule. Ils sont suspectés d’être des sortes de catalyseurs qui alimentent la formation et la croissance des étoiles à proximité.

Région intérieure de la nébuleuse d’Orion vue par l’instrument NIRCam du JWST.

Dans l’image ci dessus, on aperçoit de jeunes étoile avec leur disque à l’intérieur de leur cocon : en effet, des disques de gaz et de poussières se forment autour de ces bébés étoile. Ces disques sont dissipés ou “photo-évaporés” en raison du fort champ de rayonnement des étoiles proches du Trapèze, créant un cocon de poussière et de gaz autour d’elles. Près de 180 de ces disques de photoévaporation éclairés de l’extérieur autour de jeunes étoiles (appelées par les astrophysiciens “proplyds”) ont été découverts dans la nébuleuse d’Orion. Ces disques sont dissipés ou “photo-évaporés” en raison du fort champ de rayonnement des étoiles proches du Trapèze, créant un cocon de poussière et de gaz autour d’elles.  Source de l’image : NASA, ESA, CSA, Data reduction and analysis : PDRs4All ERS Team; graphic processing S. Fuenmayor; (© NASA/ESA/CSA/PDRs4All ERS Team/Salomé Fuenmayor).

Edwin (Ted) Bergin, professeur à l’Université du Michigan et membre de l’équipe qui a préparé ces observations se réjouit:

« Nous espérons comprendre l’ensemble du cycle de la naissance des étoiles. Dans cette image, nous regardons ce cycle où la première génération d’étoiles irradie essentiellement la matière pour la prochaine génération. Les structures incroyables que nous observons détailleront comment le cycle de rétroaction de la naissance stellaire se produit dans notre galaxie et au-delà. »

Emilie Habart (Institut d’Astrophysique Spatiale, IAS) une des scientifiques Françaises les plus à même sur le sujet nous éclaire:

“Le détail des images donne une vision tridimensionnelle incomparable ! Nous n’avons jamais été en mesure de voir à si petite échelle spatiale la façon dont la matière interstellaire est structurée. La fameuse barre d’Orion apparait comme un tsunami ou une piscine à débordement avec toutes ces petites structures. La grande cavité remplie de gaz ionisé nous apparait comme un fumoir traversé par des disques protoplanétaires. Ces images vont nous permettre de mieux comprendre comment les nuages interstellaires évoluent sous l’influence du rayonnement intense des étoiles et comment les systèmes planétaires se forment et évoluent dans ces environnements irradiés! 

La France de fait occupe une place primordiale dans ces recherches. En plus d’Emilie Habart, de nombreux scientifiques nationaux travaillent sur cette thématique. Pour ne citer que quelques uns, Olivier Berné,  de l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP) associé à l’Observatoire Midi-Pyrénées, co-dirigeant de ce programme d’observation, qui a pris soin d’analyser les premières donnéee, et Alain Abergel, Directeur de Recherche et professeur à l’IAS qui est l’un des pionniers de ces études. Mais il y en a beaucoup d’autres!

Le JWST capture la vue la plus claire des anneaux de Neptune depuis des décennies

Après avoir observé la planète Mars, le JWST montre encore ses capacités à observer près de lui avec sa première image de Neptune. Non seulement le télescope a capturé la vue la plus claire des anneaux de cette planète lointaine en plus de 30 ans, mais ses caméras révèlent cette planète géante de glace sous une toute nouvelle lumière.

Le plus frappant dans cette nouvelle image est la vue nette des anneaux de la planète, dont certains n’avaient pas été détectés depuis le survol de Voyager 2, le premier vaisseau spatial (de la NASA) et le seul à ce jour à avoir observé Neptune (en 1989). En plus de plusieurs anneaux lumineux et étroits, l’image du JWST montre clairement les bandes de poussière les plus faibles de Neptune.

Patrice Bouchet (du Département d’Astrophysique de l’Irfu au CEA – Saclay), un des découvreurs de ces anneaux (en 1986, 3 ans avant Voyager 2) ne peut cacher son émotion :

«  C’est fabuleux ! Bien plus net que les images de Voyager. Lorsque nous avons avec des moyens qui à l’époque nous paraissaient le nec-plus-ultra de ce l’on pouvait faire, mais qui aujourd’hui nous paraissent bien rudimentaires, détecté ces anneaux, nous étions loin de nous imaginer que nous pourrions de notre vivant observer si clairement l’image du signal que nos photomètres infrarouge à une seule dimension avaient alors détecté. Voir ces anneaux m’a beaucoup ému. Par ailleurs, il faut souligner la qualité d’image extrêmement stable et précise du JWST qui a permis de détecter ces très faibles anneaux si près de Neptune ».

Le JWST a pu aussi capturer sept des 14 lunes connues de Neptune : Galatea, Naiad, Thalassa, Despina, Proteus, Larissa et Triton. La grande lune inhabituelle de Neptune, Triton, domine ce portrait de Neptune comme un point de lumière très lumineux arborant les pics de diffraction vus dans de nombreuses images du JWST. (Credits image : NASA, ESA, CSA, STScI)

Recouvert d’azote condensé, Triton réfléchit en moyenne 70 % de la lumière du soleil qui l’atteint. Il dépasse de loin Neptune dans cette image parce que l’atmosphère de la planète est assombrie par l’absorption du méthane à ces longueurs d’onde proche infrarouge. Triton orbite autour de Neptune dans une orbite rétrograde inhabituelle, ce qui amène les astronomes à supposer que cette lune était à l’origine un objet de la ceinture de Kuiper qui a été capturé par gravitation par Neptune.

Neptune fascine les chercheurs depuis sa découverte en 1846. Rappelons que la découverte de Neptune fut  la première d’un objet céleste réalisée grâce à des calculs mathématiques avant de l’être par l’observation. Longtemps objet de débats quant à sa paternité, elle est aujourd’hui attribuée sans conteste à l’astronome français Urbain Le Verrier, qui avait prédit mathématiquement l’existence et la position de la planète. Les résultats de Le Verrier, publiés fin aout 1846 après deux ans de calculs à partir de la trajectoire et des caractéristiques d’Uranus, conduisirent l’astronome allemand allemand Johann Galle à rechercher observationnellement cette planète prédite par Le Verrier. Et il l’a trouvé! Si l’on en revient à l’histoire, dès le début NEPTUNE est par excellence LA planète française. Située 30 fois plus loin du Soleil que de la Terre, Neptune tourne autour du Soleil dans la région lointaine et sombre du système solaire extérieur. À cette distance extrême, le Soleil est si petit et faible que le midi sur Neptune est semblable à un crépuscule faible sur Terre.

Cette planète est décrite comme une géante de glace en raison de la composition chimique de son intérieur. Comparée aux géants gazeux, Jupiter et Saturne, Neptune est beaucoup plus riche en éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium. Ceci est évident dans son aspect bleu caractéristique dans les images du télescope spatial Hubble aux longueurs d’onde visibles, causées par de petites quantités de méthane gazeux.

La caméra infrarouge proche du JWST (NIRCam) image des objets dans le proche infrarouge de 0,6 à 5 microns, de sorte que Neptune ne semble pas bleu. En fait, le méthane absorbe si fortement la lumière rouge et infrarouge que la planète est assez sombre à ces longueurs d’onde proche infrarouge, sauf là où des nuages de haute altitude sont présents. C’est justement à cause de cette particularité que les anneaux ont pu être détectés depuis le sol en observant à une longueur d’onde caractéristique de l’absorption du méthane ce qui diminue considérablement la luminosité de la planète. Ces nuages de méthane-glace sont proéminents comme des stries et des taches brillantes, qui reflètent la lumière du soleil avant qu’elle ne soit absorbée par le méthane. Des images d’autres observatoires, dont le télescope spatial Hubble et l’observatoire W.M. Keck, ont enregistré ces caractéristiques nuageuses en évolution rapide au fil des ans.

Neptune ne semble pas bleu lorsque la planète est observée avec NIRCAM. En fait, le méthane absorbe si fortement la lumière rouge et infrarouge proche que la planète est sombre à ces longueurs d’onde, sauf là où des nuages de haute altitude sont présents. Ces nuages de méthane-glace sont proéminents comme des stries et des taches brillantes, qui reflètent la lumière du soleil avant qu’elle ne soit absorbée par le méthane. (Crédits pour l’image: NASA, ESA, CSA, STScI)

Plus subtilement, une mince ligne de luminosité entourant l’équateur de la planète pourrait être une signature visuelle de la circulation atmosphérique qui alimente les vents et les tempêtes sur Neptune. L’atmosphère descend et se réchauffe à l’équateur, et brille donc aux longueurs d’onde infrarouges plus que les gaz environnants, plus frais.

Neptune accomplit son orbite en 164 ans, ce qui signifie que son pôle nord, au sommet de cette image, est juste hors de vue pour les astronomes, mais les images du JWST suggèrent une luminosité intrigante dans cette zone. Un vortex déjà connu au pôle sud est évident dans l’image obtenue avec NIRCam, mais pour la première fois, elle montre une bande continue de nuages de haute latitude qui entourent la planète.

Ce qui justifie le fait que le JWST va poursuivre les études de Neptune et de Triton dans les années à venir !

(inspiré d’un communiqué de la NASA – Goddard et STScI – du 21 septembre 2022).

Premières images et spectres de Mars.

Le JWST n’observe pas seulement des galaxies lointaines et l’atmosphère des exoplanètes. Il observe aussi notre environnement proche, notre système solaire. Le 5 septembre 2022 le télescope a pu capturer une vue du disque observable de Mars (la partie du côté du soleil qui fait face au télescope) : des images et des spectres avec la résolution spectrale nécessaire pour étudier des phénomènes à court terme comme les tempêtes de poussière, les modèles météorologiques, les changements saisonniers et, en une seule observation, les processus qui se produisent à différents moments (jour, coucher du soleil et nuit) d’un jour martien.

Et pourtant, la planète rouge est si proche et si brillante dans l’infrarouge que le grand défi était d’éviter de saturer les capteurs ultrasensibles des instruments, car la lumière infrarouge de Mars est aveuglante. Malgré ces inconvénients, le JWST a pu « tirer le portrait » de notre planète voisine.

Les premières images de Mars, obtenues par la caméra infrarouge proche (NIRCam) du JWST, montrent une région de l’hémisphère oriental de la planète à deux longueurs d’onde différentes dans la lumière infrarouge. Cette image montre une carte de référence de surface de la NASA et de l’altimètre laser Mars Orbiter (MOLA) à gauche, avec les deux champs de vision de l’instrument NIRCam superposés. Les images dans le proche infrarouge du JWST sont affichées sur la droite sur le montage ci-dessous..

Cette image montre une lumière solaire réfléchie de 2,1 microns, qui révéle des caractéristiques de surface telles que des cratères et des couches de poussière. En bas à droite : Image simultanée de NIRCam montrant une lumière émise à 4,3 microns qui nous informe sur des différences de température avec la latitude et l’heure de la journée, ainsi que l’assombrissement du bassin Hellas causé par des effets atmosphériques. La zone jaune vif est juste à la limite de saturation du détecteur. (Crédit : NASA, ESA, CSA, STScI, Mars JWST/GTO équipe)

L’image de NIRCam aux plus courtes longueurs d’onde (2,1 microns) [en haut à droite sur l’image] est dominée par la lumière réfléchie du soleil, et révèle donc des détails de surface semblables à ceux qui apparaissent dans les images en lumière visible [à gauche]. Les anneaux du cratère de Huygens, la roche volcanique foncée de Syrtis Major, et l’éclaircissement dans le bassin de Hellas sont tous apparents dans cette image.

A plus longue longueur d’onde (4,3 microns) [en bas à droite sur l’image] on décèle l’émission thermique – la lumière émise par la planète lorsqu’elle perd de la chaleur. La luminosité de la lumière à cette longueur d’onde est liée à la température de la surface et de l’atmosphère. La région la plus lumineuse de la planète est celle où le Soleil est presque au-dessus du ciel, car elle est généralement la plus chaude. La luminosité diminue vers les régions polaires, qui reçoivent moins de lumière du soleil, et moins de lumière est émise par l’hémisphère nord plus frais, qui connaît l’hiver à cette période de l’année.

Cependant, la température n’est pas le seul facteur affectant la quantité de lumière de 4,3 microns. Lorsque la lumière émise par la planète traverse l’atmosphère de Mars, une partie est absorbées par des molécules de dioxyde de carbone (CO2). Le bassin Hellas – qui est la plus grande structure d’impact bien conservée sur Mars, s’étendant sur plus de 2 000 kilomètres – semble plus sombre que les environs en raison de cet effet.

Geronimo Villanueva, du Centre Spatial Goddard de la NASA qui a conçu ces observations explique:

“Ce n’est pas un effet thermique chez Hellas. Ce bassin est situé à une altitude plus basse, ce qui augmente la pression atmosphérique. Cette pression plus élevée entraîne une suppression de l’émission thermique à cette plage de longueurs d’onde particulière [4,1-4,4 microns] en raison d’un effet appelé élargissement de pression. Il sera très intéressant de distinguer ces effets concurrents dans ces données.”

Villanueva et son équipe ont également publié le premier spectre proche infrarouge de Mars obtenu par le JWST, démontrant sa puissance pour étudier la planète rouge en spectroscopie. Compte tenu du fait que les images obtenues montrent des différences de luminosité (intégrées sur un grand nombre de longueurs d’onde) d’un endroit à l’autre de la planète à un jour et une heure donnée, le spectre montre les variations subtiles de luminosité entre des centaines de longueurs d’onde différentes représentatives de la planète dans son ensemble. Les astronomes analyseront les caractéristiques du spectre pour recueillir des informations supplémentaires sur la surface et l’atmosphère de la planète.

L’analyse préliminaire du spectre montre un riche ensemble de caractéristiques spectrales qui contiennent des informations sur la poussière, les nuages glacés, le type de roches à la surface de la planète et la composition de l’atmosphère. Les signatures spectrales – y compris les vallées profondes connues sous le nom de caractéristiques d’absorption – de l’eau, du dioxyde de carbone et du monoxyde de carbone sont facilement détectées avec le JWST. 

Le premier spectre proche infrarouge de Mars, capturé par le spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) le 5 septembre 2022, dans le cadre du programme d’observation à temps garanti 1415, Le spectre est dominé par la lumière réfléchie du soleil à des longueurs d’onde inférieures à 3 microns et l’émission thermique à des longueurs d’onde plus longues. L’analyse préliminaire révèle que les creux spectraux apparaissent à des longueurs d’onde spécifiques où la lumière est absorbée par les molécules dans l’atmosphère de Mars, en particulier le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone et l’eau. D’autres détails révèlent des informations sur la poussière, les nuages et les caractéristiques de surface. En construisant un modèle le mieux adapté du spectre, en utilisant, par exemple, le générateur de spectre planétaire, des abondances de molécules données dans l’atmosphère peuvent être dérivées. (Source : NASA, ESA, CSA, STScI, équipe JWST/GTO de Mars)

Ces observations de NIRCam et de NIRSpec de Mars ont été effectuées dans le cadre du programme du système solaire GTO (Cycle 1 Guaranteed Time Observation) du JWST dirigé par Heidi Hammel de l’Association des Universités pour des Recherches en Astronomie (AURA, qui dirige l’Institut pour la science des télescope spatiaux, à Baltimore – STScI). Plusieurs scientifiques français font partie de cette équipe. En particulier Thierry Fouchet et Emmanuel Lellouch, de l’Observatoire de Paris. 

Emmanuel Lellouch, un des scientifiques français les plus à même des recherches sur Mars, reste pourtant très prudent.

« C’est surtout une performance d’avoir réussi à sortir des images et un spectre de Mars malgré les problèmes de saturation sur une source aussi forte. Ceci dit, ayant vu le traitement et les problèmes (qu’on ne voit pas sur le spectre publié), je ne suis pas encore sûr de ce que l’on pourra extraire scientifiquement de ces données. On pourra sans doute faire des cartes de HDO et donc du rapport D/H, ce qui est important pour la météorologie et l’évolution de l’atmosphère de Mars. Je suis plus sceptique sur le fait qu’on puisse améliorer les contraintes sur le méthane, à l’heure où la mission Trace Gas Orbiter a donné déjà des limites extrêmement basses ».

Thierry Fouchet, un autre spécialiste de Mars, semble plus confiant quant à l’avenir: 

“Un certains nombres de controverses récentes sur Mars, comme celle sur le méthane, opposent une vision très statique de la planète à une vision plus dynamique avec des épanchements voire éruptions de gaz. En cas d’évènement sporadique, ce spectre démontre que le JWST pourra être utilisé pour confirmer ou infirmer des détections publiées par d’autres instruments, et avec une sensibilité imbattable.”

En dépit de ces réserves, à l’avenir, l’équipe de Mars utilisera ces données d’imagerie et de spectroscopie pour explorer les différences régionales à travers la planète, et pour rechercher des traces de gaz dans l’atmosphère, y compris le méthane et le chlorure d’hydrogène.

Nouvelle vision de la Tarentule

Il était une fois dans l’espace-temps, une histoire de création cosmique: des milliers de jeunes étoiles jamais vues repérées dans une pépinière stellaire appelée 30 Doradus, capturées récemment par le JWST. Surnommée la nébuleuse de la Tarentule en raison de l’apparition de ses filaments poussiéreux sur les précédentes images du télescope, la nébuleuse est depuis longtemps un favori des astronomes qui étudient la formation des étoiles. En plus des jeunes étoiles, le JWST a révélé des galaxies lointaines, ainsi que la structure détaillée et la composition du gaz et de la poussière de la nébuleuse.

Le cycle de formation des étoiles est parfaitement illustré lorsque l’on observe cette nébuleuse voisine. La nébuleuse de la Tarentule (également connue sous le nom de 30 Doradus, ou NGC 2070 ou Caldwell 103), est une région que les astronomes qualifient de HII, ce qui veut dire qu’il y règne une forte dominante de l’hydrogène ionisé. Elle se situe dans le Grand Nuage de Magellan. Initialement, on pensait qu’il s’agissait d’une étoile (d’où la dénomination désuète de 30 Doradus dans la classification de Flamsteed), mais en 1751 le français Nicolas-Louis de Lacaille a pu identifier sa nature nébuleuse. Elle est distante de 161 000 années-lumière de la Terre. Le taux de naissance d’étoiles y est plus élevé qu’en n’importe quelle région de notre Galaxie, ce qui vient d’être confirmé par les observations du JWST. La nébuleuse de la Tarentule est la plus grosse nébuleuse connue. L’instrument MIRI du JWST a capturé des protoétoiles nichées dans des nuages de gaz et de poussière, tout en accumulant de la masse. La nébuleuse d’une magnitude apparente totale voisine de 5, est aisément visible à l’œil nu (hors de la pollution lumineuse des villes) comme une condensation petite et brillante en périphérie immédiate du Grand Nuage de Magellan. Si elle apparaît légèrement moins brillante et moins étendue que la célèbre nébuleuse d’Orion, les distances respectives de ces deux régions HII par rapport à un observateur terrestre sont sans commune mesure. En effet, la nébuleuse d’Orion est environ 100 fois plus proche — 1 600 années-lumière. Intrinsèquement, la Tarentule est donc considérablement plus vaste, lumineuse et massive. Abstraction faite de l’absorption interstellaire, si elle se trouvait aussi proche de nous que la nébuleuse d’Orion, alors elle nous apparaîtrait deux fois plus étendue que le chariot de la Grande Ourse pour une luminosité perçue totale équivalente à celle de Vénus à son maximum (gain de dix magnitudes environ). Il s’agit en réalité de la région HII connue la plus active du Groupe local, et aussi l’une des plus étendues avec NGC 604, dans la galaxie du Triangle.

En son centre, un ensemble extrêmement compact d’étoiles chaudes produit la majeure partie du rayonnement ultraviolet qui ionise le gaz environnant et rend la nébuleuse visible. L’amas d’étoiles correspondant porte la dénomination R136a, mais il existe également d’autres amas dispersés comme Hodge 301. La lueur rougeâtre de la nébuleuse de la Tarentule est due à ce que les astronomes appellent l’excitation de l’hydrogène. Le gaz est excité par les puissants rayonnements lumineux émanant d’étoiles géantes. Celles-ci brûlent leur combustible nucléaire avec une telle intensité qu’elles l’épuisent en seulement en quelques millions d’années (le même processus prend des milliards d’années chez des étoiles plus modestes, comme le Soleil). Puis elles explosent en supernovas. Une géante bleue de la nébuleuse de la Tarentule qui s’est transformée en supernova a capté l’attention des astronomes du monde entier, le 23 février 1987 (La supernova la plus proche à avoir été observée depuis l’invention du télescope, SN 1987A, s’est produite non loin de la nébuleuse de la Tarentule). Et, depuis, de nombreux scientifiques continuent à observer ses rémanents. 

Le JWSt a observé cette nébuleuse. Les observations en infrarouge moyen avec l’instrument MIRI (conçu et développé en France sous l’égide du CEA et du CNES), nous offrent de nombreuses découvertes. Pour la première fois, plusieurs mille jeunes étoiles, voire dix mille, ont été observées dans une région de cette nébuleuse, toujours cachées par les poussières en lumière visible. Encore s’aperçoit-on des étoiles en rouge aussi, qui viennent de naître récemment.

L’énergie de ces jeunes étoiles est si forte que l’effet de vent stellaire forme une espace qui contient moins de gaz et de poussières. Les filaments compliqués, symbole d’une Tarentule, ont été formés par ce vent stellaire.

En observant à différentes longueurs d’onde avec MIRI, le JWST a réussi à identifier les composants de gaz et de poussières. Contrairement à ce que les chercheurs imaginaient, une étoile dans l’incubateur n’est pas directement obscurcie par le nuage d’atome d’hydrogène (détecté à 1,87 microns dans l’infrarouge proche avec NIRSpec). Elle est située en dehors de la bulle d’hydrogène. Or, l’étoile sur le point de naitre est recouverte par un nuage d’hydrogène moléculaire (observé avec NIRSpec à 2,12 microns), et plus étonnamment, de poussières d’hydrocarbure (détéctées à  3,30 microns). L’interprétation des scientifiques est que l’hydrogène est éloigné de par la force de la lumière produite par des jeunes étoiles. La formation des étoiles dans la nébuleuse de la Tarentule serait donc assez différente de celle qui opère dans d’autres galaxies, y compris la Voie lactée. C’est pourquoi les chercheurs s’intéressent fortement à  cette nébuleuse. Sans doute la composition chimique de celle-ci serait-elle similaire à celle de l’univers, lorsque ce dernier n’avait que quelques milliards d’années seulement.

Dans cette mosaïque s’étendant sur 340 années-lumière, la caméra infrarouge proche du JWST, NIRCam, montre la région de formation stellaire de la nébuleuse de la Tarentule sous une nouvelle lumière, y compris des dizaines de milliers de jeunes étoiles jamais vues qui étaient auparavant enveloppées de poussière cosmique. Source : NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO Production Team.

Vue avec la caméra NIRCam, la région ressemble à une tarentule terrière, bordée de soie. La cavité de la nébuleuse centrée sur l’image a été creusée par le rayonnement d’un amas de jeunes étoiles massives, qui scintillent de bleu pâle sur l’image. Seules les zones environnantes les plus denses de la nébuleuse résistent à l’érosion par les puissants vents stellaires de ces étoiles, formant des piliers qui semblent pointer vers l’amas. Ces piliers contiennent des protoétoiles en formation, qui finiront par émerger de leurs cocons poussiéreux et façonneront à leur tour la nébuleuse.

C’est exactement ce que fait une très jeune étoile que l’on distingue clairement sur les images prises par NIRCam. Les observations effectuées avec le spectrographe NIRSpec montrent que cette étoile est sans doute plus vieille que ce que les astronomes pensaient auparavant et qu’elle était déjà en train d’éliminer une bulle autour d’elle. Cependant, NIRSpec a montré que l’étoile commençait à peine à émerger de son pilier et maintenait toujours un nuage de poussière isolant autour d’elle. Sans les spectres à haute résolution du JWST cet épisode de formation stellaire en action n’aurait pas pu être révélé.

Aux longueurs d’onde les plus longues captées par MIRI qui observe dans l’infrarouge thermique, les observations du JWST se sont concentrées sur la zone entourant l’amas d’étoiles centrales et ont dévoilé une vision très différente de la nébuleuse de la Tarentule (Source : NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO Production Team).

La région prend une apparence différente lorsqu’elle est vue dans les longueurs d’onde infrarouges plus longues détectées par MIRI. Les étoiles chaudes s’estompent, le gaz plus frais et la poussière brillent. Dans les nuages de la pépinière stellaire, les points de lumière indiquent des protoétoiles incrustées, qui gagnent encore en masse. Alors que des longueurs d’onde plus courtes de la lumière sont absorbées ou dispersées par des grains de poussière dans la nébuleuse, et donc n’atteignent jamais le JWST pour être détectées. A des longueurs d’onde plus longues (dans l’infrarouge thermique que nous offre MIRI) il est possible de pénètrer cette poussière, ce qui nous révéle finalement un environnement cosmique inédit.

Premières images d’une exoplanète avec le JWST

L’instrument NIRCam du JWST offre des possibilités d’observations coronographiques  « classiques » dérivés de la méthode développée par le français Bernard Lyot (1897 – 1952) qui utilise un masque occultant (ronds ou en forme de barre) qui réduit considérablement le rayonnement d’une étoile ce qui permets de scruter son environnement. En fait les coronographes utilisés sur NIRCam ne sont pas tout à fait comme ceux de Lyot, dont les bords sont abruptes. Il conviendrait plutôt de les qualifier de masques d’amplitudes en comparaison à ceux utilisés par MIRI (qui sont des masques de phase).  Cette méthode produit des contrastes élevés à des distances inférieures à 1 seconde d’arc de l’étoile. NIRCam opère à des longueurs d’onde entre 2 et 5 micromètres.

L’imageur de MIRI, lui, utilise une méthode révolutionnaire qui permet d’observer des objets beaucoup plus proches de l’étoile « masquée ». C’est une nouvelle génération désormais connue sous le nom de coronographes à masque de phase à 4 quadrants, développée au Département du LESIA de l’Observatoire  de Paris sous la houlette et l’impulsion de Daniel Rouan, qui est le père fondateur de cette nouvelle techonologie. C’est la première fois qu’ils sont utilisés depuis l’espace. Le seul autre instrument doté de cette technique est l’instrument SPHERE qui équipe le Très Grand Télescope (VLT) de l’Observatoire Européen (ESO) au Chili, mais qui n’a pas encore fait usage de cette nouvelle facilité car jugée  moins efficace que les coronographes de Lyot apodisés. Les 4 coronographes de MIRI fonctionnent aux longueurs d’onde 10.65, 11.40, 15.50 et 23.00 microns (Boccaletti et al. 2022).

« Ces longueurs d’onde ont été spécialement choisies pour sonder l’atmosphère des exoplanètes géantes, identifier des molécules comme l’ammoniac, et viennent en complément des observations  obtenues au sol en infrarouge proche » précise Pierre Baudoz du LESIA, un des principaux chercheurs directement impliqué dans la conception des coronographes de MIRI et de l’étude des atmosphères des exoplanètes.

L’imageur de MIRI, lui, utilise une méthode révolutionnaire qui permet d’observer des objets beaucoup plus proches de l’étoile « masquée ». C’est une nouvelle génération désormais connue sous le nom de coronographes à masque de phase à 4 quadrants, développée au Département du LESIA de l’Observatoire  de Paris sous la houlette et l’impulsion de Daniel Rouan. Les 4 coronographes de MIRI fonctionnent aux longueurs d’onde 10.65, 11.40, 15.50 et 23.00 microns (Boccaletti et al. 2022). C’est la première fois qu’ils sont utilisés depuis l’espace. Le seul autre instrument doté de cette technique est SPHERE  qui équipe le Très Grand Télescope (VLT) de l’Observatoire Européen (ESO) au Chili, mais qui n’a pas encore utilisé cette technique car moins efficace que les coronographes apodisés.

L’exoplanète HIP 65426b était dans le menu des premières cibles des observations à réaliser avec le JWST. Il s’agit d’une planète géante très jeune d’environ 15 millions d’années, située à 90 unité astronomique  de son étoile mère soit environ 13,5 milliards de kilomètres. D’une masse estimée à environ 7 masses de Jupiter, elle avait été découverte avec l’instrument SPHERE en 2017. Les instruments du JWST ont rendu possible son observation directe grâce à ces coronographes.

Les observations ont été réalisées dans le cadre d’un programme « Early Release Science »  mené par une collaboration internationale incluant plusieurs chercheurs français des laboratoires de l’IPAG, du LAM, du LESIA, du CEA/AIM, et du Laboratoire Lagrange. Rappelons que MIRI est le seul instrument qui observe dans l’infrarouge moyen (souvent appelé infrarouge thermique) du JWST.

Les résultats sont spectaculaires ! Ce résultat doit beaucoup au travail intense fait pendant la recette sur le ciel pour mettre en œuvre le mode coronographique de MIRI par Pierre-Olivier Lagage, Christophe Cossou,  Anthony Bocaletti et Pierre Baudoz du Centre d’Expertise Français  MICE. Il convient de souligner le rôle essentiel que les partenaires français du consortium Européen de MIRI ont joué dans l’obtention de ces résultats. Sans leur compétence, il n’aurait pas été possible d’obtenir de tels résultats! C’est un cocorico dûment mérité… 

 

Images de l’exoplanète HIP 65426 b observées par NIRCAM (3.3 et 4.4 microns) et MIRI (11.4 et 15.5 microns). L’étoile blanche indique la position de l’étoile hôte. Crédit NASA/STScI/ESA publié par Carter et al. 2022.

Les observations se révèlent en particulier de meilleure qualité que ce que les modèles les plus optimistes prédisaient.

Images coronographiques simulées (en haut) et mesurées (en bas) avec les 4 coronographes de MIRI

« Les performances sont meilleures que celles initialement prévues ! »,

précise Anthony Boccaletti, Directeur du LESIA, et premier responsable scientifique des coronographes de MIRI, qui ne peut cacher sa satisfaction !

Les données recueillies sur HIP 65426 b fournissent la première mesure fiable de la température qui règne dans l’atmosphère de cette exoplanète : 1400°C. Les commentaires sur ces observations fusent parmi les nombreux membres français de l’équipe.

« Cela correspond à la température de la flamme d’un briquet. On s’attend ainsi à ce que des petits grains de poussière formés de silicates se forment et restent en suspension dans l’atmosphère de l’objet”,note Mickaël Bonnefoy, chercheur à l’Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble (IPAG).

 « Le JWST démontre son potentiel pour étudier en détail les propriétés physico-chimiques de ces mondes extrasolaires et mieux comprendre leur formation. Les images pourraient aussi révéler de nouvelles planètes encore inconnues dans ces systèmes”, renchérit Gaël Chauvin de l’Observatoire Lagrange (Nice).

Ces images spectaculaires sont les premières d’un programme entier dédié aux observations directes de systèmes exoplanétaires proches.

« Nous travaillons maintenant sur les images d’un système encore plus jeune de 5 millions d’années, autour duquel il reste encore énormément de gaz et de poussière. Avec ces analyses, nous saurons si ces poussières contiennent de la glace d’eau comme les comètes dans notre système solaire » indique Élodie Choquet, chercheuse au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM)

De fait ces premiers résultats laissent augurer du meilleur en ce qui concerne les observations coronographiques d’exoplanètes à venir, et la communauté (en particulier française) impliquée dans ces recherches bouillonne déjà d’impatience !

Inspiré d’une note d’actualité publiée par le CNRS (voir la note) 

JWST