Comme espéré, le télescope spatial James Webb aide à résoudre des énigmes exceptionnelles, dont certaines laissées par le télescope Hubble. Pour l’instant, les réponses qu’il donne concernent à plusieurs reprises les naines brunes et en l’occurrence celles dont l’existence était soupçonnée dans la célèbre nébuleuse d’Orion, l’une des nébuleuses stellaires les plus proches de notre système solaire, située à 1 300 années-lumière.
Dès le début de la saga Hubble dans les années 1990, le télescope a contribué à étayer la théorie de la formation du système solaire à partir dueffondrementeffondrement d’un nuagenuage de gazgaz et poussière en rotation donnant une étoile centrale entourée d’un disque protoplanétairedisque protoplanétaire illuminé et partiellement ionisé par rayonnement ultra-violetultra-violet intense de la jeune star.
En effet, les images de Hubble ont révélé un grand nombre de ces disques protoplanétaires illuminés par les UV, appelés proplydes verser disque protoplanétaire ionisé en anglais, dans la nébuleuse d’Orion. La chasse aux disques protoplanétaires ionisés a été si belle dans cette nébuleuse que près de 180 y ont été retrouvés.
Hubble, les Proplydes et Orion. Pour obtenir une traduction française assez précise, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © HubbleWebbESA
Des étoiles trop faiblement lumineuses en infrarouge pour Hubble
Cependant, le astrophysiciensastrophysiciens je me demande encore si certains d’entre eux entouraient réellement de jeunes stars ou même proto-étoilesproto-étoiles en formation… ou naines brunesnaines brunes. N’oubliez pas que ces étoilesétoiles qui peut avoir la taille de géantes gazeusesgéantes gazeuses du système solaire, comme JupiterJupiter ou SaturneSaturnesont nettement plus massifs et donc denses, sans toutefois être suffisamment denses pour déclencher durablement des réactions de fusionfusion thermonucléaire, sauf pour un temps très court, celui du combustioncombustion deutérium – ceci isotopeisotope lourdhydrogènehydrogène formé au cours de la Big BangBig Bang et sur lequel s’est concentré le travail d’Hubert Reeves.
La réponse à cette question a donc été donnée par les observations réalisées avec le télescope spatial James-Webb, comme on peut le constater à la lecture d’un article en libre accès sur arXiv mais accepté pour publication dans leJournal d’astrophysique et que nous devons à une équipe internationale de chercheurs, dont un astronomeastronome de la Penn State University aux États-Unis.
Certains disques protoplanétaires d’Orion entourent en fait des naines brunes. Le JWST l’a établi parce que ses capacités à observer dans leinfrarougeinfrarouge sont bien meilleurs que ceux de Hubble, notamment parce qu’il dispose d’un miroirmiroir plus grand et donc capable de collecter plus photonsphotons des objets faibles.
Les instruments JWST peuvent également mesurer la température de l’étoile centrale au cœur des proplydes d’Orion et il s’est avéré que dans certains cas, elle était trop basse pour une étoile normale, mais pas du tout pour une naine brune.
JWST, une clé des énigmes des naines brunes
Comme l’explique le communiqué de presse de Penn State :
« L’équipe d’astronomes a effectué des mesures de spectroscopie infrarouge sur un petit échantillon de candidates naines brunes à Orion en utilisant le spectrographespectrographe Webb est dans le proche infrarouge. Ces données ont confirmé que 20 objets sont suffisamment froids pour être des naines brunes, dont la plus petite pourrait avoir une massemasse de seulement 0,5% de celui de SoleilSoleil de la Terre, ou cinq masses de Jupiter. Deux autres objets sont proches de la masse minimale de fusion (7,5 % de la masse du Soleil), on ne sait donc pas s’il s’agit de petites étoiles ou de grandes naines brunes. L’échantillon de nouvelles naines brunes comprend deux proplydes faibles luminositéluminosité détectés par Hubble dans les années 1990, ce qui en fait deux des proplydes les plus froids et les moins massifs découverts à ce jour. ».
Kevin Luhman, professeur d’astronomie etastrophysiqueastrophysique à Eberly Collège des sciences de Penn State et l’un des dirigeants de l’équipe de recherche, ajoute également dans ce communiqué :
« Les nouvelles observations de Webb n’ont fait qu’effleurer la surface en termes de naines brunes dans Orion. La nébuleuse contient quelques centaines d’objets faibles qui pourraient être des naines brunes, mûres pour la spectroscopie avec Webb. Les futures observations d’Orion avec Webb pourraient potentiellement trouver de nombreux autres exemples de proplydes autour des naines brunes et déterminer la plus petite masse pour laquelle les naines brunes existent. Ces informations nous aideront à combler les lacunes de nos connaissances sur la formation des naines brunes et leurs relations avec les étoiles et les planètes. ».
Une présentation du monde des naines brunes présentée le 7 mai 2020 par Frédérique Baron, de l’Institut de recherche sur les exoplanètes – iREx. © Chaîne du programme À la découverte de l’Univers
Saviez-vous?
L’existence de naines brunes a été prédite théoriquement par l’astronome indien Shiv S. Kumar lors de sa thèse sur la période 1958-1962. Il s’intéressait à la théorie des étoiles de très faible masse (M figures éminentes de Seti.
Les naines brunes sont intéressantes car ce sont des étoiles intermédiaires entre une étoile et une planète en termes de masse et qu’on ne retrouve pas dans notre système solaire. Ils sont également utiles pour étudier l’évolution et l’atmosphère des planètes géantes, car les planètes de type Jupiter et les naines brunes plus claires devraient avoir des caractéristiques similaires.
Les naines brunes font plus ou moins toujours partie du débat concernant, d’une part, la limite de masse au-delà de laquelle une étoile fait partie des étoiles (et non des naines brunes) et d’autre part, concernant la limite en dessous de laquelle l’étoile est une géante gazeuse. Les astrophysiciens sont cependant d’accord sur un point : ce qui différencie une étoile d’une naine brune, c’est le fait qu’elle est suffisamment massive pour permettre des réactions de fusion thermonucléaire durables, comme celles décrites par la chaîne proton-proton ou le cycle de Bethe-Weizsäcker, snap en place. On retrouve alors des masses comprises entre 75 et 80 fois la masse de Jupiter (MJ.), soit environ 0,07 masse solaire.
Lorsqu’il s’agit du critère permettant de distinguer une géante gazeuse d’une naine brune, les scientifiques utilisent généralement le seuil de 13 M.J.. Des réactions de fusion temporaires, en l’occurrence celle du deutérium, peuvent alors se produire, comme celle du lithium à partir de 65 MJ..
Les naines brunes sont subdivisées en plusieurs types spectraux comme les étoiles ordinaires. Les plus chaudes et les plus lumineuses font ainsi partie des naines dites M, donc proches des naines rouges du même type. Viennent ensuite les deux principaux types de naines brunes avec d’abord celles de type L, qui ont des températures approximativement comprises entre 1 500 K et 2 500 K, et les naines de type T, là encore avec des températures approximativement comprises entre 1 500 et 500 K. Les naines Y ont des températures inférieures à 500 K.
Il existe cependant de légères variations dans la littérature à leur sujet ; on constate parfois pour les naines T qu’elles doivent avoir des températures de surface inférieures à 1200 K.
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