TW Hydrae – Disque protoplanétaire et détection du méthanol

Voici quelques rappels pour la bonne compréhension de l’œuvre :
unité astronomique ou UA : distance terre-soleil, soit environ 150 millions de km.
ion positif : un ion positif ou cation provient d’un atome qui a perdu un ou plusieurs électrons.
photodissociation : réaction chimique par laquelle un composé chimique est « cassé » par des photons. Cette interaction peut comporter un ou plusieurs photons pour une seule molécule ciblée. L’énergie d’un photon est inversement proportionnelle à sa longueur d’onde.
Radical : un radical (ou radical libre) est une espèce chimique possédant un ou plusieurs électrons non appariés sur sa couche externe. Il se note par un point. La présence d’un électron célibataire confère à ces molécules, la plupart du temps, une grande instabilité, leur durée de vie est très courte et elle réagissent avec de nombreux composés.
Photodésorption : l’interaction des photons avec des molécules condensées à basse température peut conduire à l’éjection d’atomes ou de molécules dans le vide. Ce phénomène non-thermique appelé « photodésorption » se produit par exemple dans le milieu interstellaire froid ainsi que dans les disques protoplanétaires, où les particules de poussières micrométriques recouvertes d’un manteau de glaces moléculaires sont bombardées de photons UV.
Absorption de molécules : dans les manteaux glacés autour des jeunes étoiles, se forment des espèces moléculaires telles H2O, CO, CO2, CH4, Ch3OH, H3… qui se condensent sur les grains froids.

Avant de commencer l’explication de cette œuvre, voici ce qui a été découvert grâce aux observations du radiotélescope ALMA :

trois sillons sombres où très certainement des planètes se sont tout juste formées :
Le premier sillon est situé à une unité astronomique de l’étoile, exactement à la même distance que La Terre se trouve du soleil.
Un deuxième sillon sombre est situé à environ 20 unités astronomiques, soit à trois milliards de kilomètres de l’étoile, à cette distance la planète qui a creusé ce sillon doit vraisemblablement être une géante gazeuse.
Un troisième sillon sombre est situé à environ six milliards de kilomètres de l’étoile, vers 40 à 50 unités astronomiques, dans lequel doit évoluer une autre planète géante gazeuse.

J’ai lu pour cela plusieurs articles sur internet « Planet Formation in Earth-like Orbit around a Young Star » ou « La Formation d’une planète sur une orbite similaire à celle de La Terre autour d’une jeune étoile ». De nouvelles images du radiotélescope ALMA révèlent des détails encore jamais vus d’un disque de formation de planètes, comprenant un sillon sombre à la même distance de l’étoile que La Terre du Soleil.
Cette structure nous indique une version infantile de notre propre planète, ou probablement la présence d’une « Super Terre » massive en train de se former.

Sur l’œuvre l’étoile en colori blanc et bleu est représentée comme si nous nous trouvions sur un côté du disque avec une vue sur les nuages de gaz et de poussière. En réalité et depuis La Terre, TW Hydrae est observée de face par ALMA, ce qui permet aux astronomes une vue rare et sans aucune déformation du disque complet.
Sur l’œuvre et partant de l’étoile les petites ondes jaunes et roses symbolisent les photons énergétiques qui s’éloignent et « cognent » contre les atomes et les molécules, principalement l’hydrogène H et l’hydrogène moléculaire H2. En partant de l’étoile jusqu’en bas de l’œuvre sur une ligne verticale non représentée mais suivant les photons en jaune et rose, figurent les unités astronomiques : 1 UA, puis plus bas 10 UA, puis 20 UA jusqu’à 30 UA en bas de l’œuvre.

Le premier sillon sombre autour de l’étoile à 1 UA indique la zone où orbite la planète de type « Terre » exactement à la même distance de l’étoile que nous le sommes du Soleil. Un peu plus loin en nous éloignant de l’étoile apparaît un autre sillon sombre à environ 5 UA, où j’ai imaginé une planète tout juste formée, à gauche et sous l’étoile : la planète est représentée avec un point d’interrogation, car il doit exister plusieurs planètes en formation à l’intérieur du disque de poussière.
La lumière s’échappant de l’étoile est symbolisée en petits photons ondulatoires jaunes et roses. Les photons « cognent » contre l’hydrogène en billes rouges ou vertes, et contre l’hydrogène moléculaire H2 en billes rouges et vertes ;
L’hydrogène H comporte un électron, il est représenté en une bille rouge ; lorsque l’électron est arraché l’hydrogène H+ est représenté en une bille verte.
Les photons « cognent » également contre d’autres molécules : CO (carbone en tris, oxygène en bleu) H2O (hydrogène en rouge, oxygène en bleu), l’ion COH+ (carbone en gris, oxygène en bleu, hydrogène en rouge).

En suivant la ligne des unités astronomiques vers 15 UA un autre sillon sombre est imaginé, avec peut être ? une planète en formation ; elle est symbolisée dans le sillon au milieu et sous l’étoile.
Entre ce troisième sillon et l’étoile, voyons quelques réactions chimiques dans le disque de poussières : en haut à gauche un nuage de comètes entouré de petits grains de glace en blanc et bleuté, s’approche de l’étoile. Juste dessous des grains de poussière notés GR s’agglomèrent en petits morceaux de quelques… millimètres ; nous croisons les ions positifs suivants : H3+, H+, O+, ils ont perdu un ou plusieurs électrons. A gauche au bord du sillon sombre, un photon rose « cogne » contre une molécule CO : le carbone s’échappe d’un côté, l’oxygène de l’autre côté ; juste dessous H et H2 se rejoignent pour former H3. En allant vers la droite, un photon rose cogne contre l’ion COH+ ; un peu plus bas, sur un grain de poussière noté GR se collent des atomes d’hydrogène ainsi que la molécule CO, ensuite c’est H2O qui ressort du grain, symbolisée au bout de la flèche jaune : les réactions à la surface des grains froids comprennent donc une accrétion avec absorption de molécules, et ensuite une désorption chimique avec H2O au cours de laquelle une molécule est éjectée.
Au milieu du disque de poussières en ocre marron et à l’intérieur du troisième sillon, H2 s’est aggloméré sur un grain, et s’en échappe ensuite, l’ion H2CO+ apparaît ; au milieu et sous le photon rose, deux hydrogène se collent sur un grain, puis H2 est éjecté, plus loin en tournant à droite, on aperçoit OH+. A côté à droite une molécule de CO est absorbée sur un grain, qui éjecte ensuite H2O: c’est la désorption. A droite nous croisons la molécule CO, puis dans la ligne des photons, l’ion COH+ va être dissocié par le photon jaune. Plus haut la molécule H2 et l’ion H2+ se rejoignent en l’ion H3+ et un hydrogène H. Nous remontons à droite et après avoir croisé l’ion OH+ et l’ion O+, nous croisons à nouveau un nuage de comètes et de petits grains de glace qui s’approche de l’étoile.

Nous voici dans la bande marron entre les troisième et quatrième sillons sombres : nous partons à gauche toujours sous la nuée de comètes s’approchant de l’étoile : nous croisons H2 entre les photons, puis juste dessous la réaction H2+ et H2 va donner l’ion H3+ et un hydrogène, juste dessous dans l’alignement des photons apparaissent H2+ et H2.
Redescendons doucement à gauche dans la bande marron en nous dirigeant vers la droite : nous voyons un grain de poussière GR, puis les ions H3+ et CH3+, les hydrogène H et H+, nous croisons l’ion COH+ duquel un ou plusieurs électrons ont été arrachés ; nous arrivons devant la molécule OH « cassée » par un photon jaune, nous croisons C (un carbone) et CO, un autre grain où s’agglomèrent des molécules, puis l’ion HCO+, puis un grain duquel s’échappe H2. Nous sommes dans la bande marron au milieu et dans la partie inférieure de l’oeuvre, nous nous dirigeons à droite, nous croisons les ions H2+, H+, CH3+ avant d’arriver à l’ion COH+ ainsi qu’à la molécule OH. Nous croisons encore un alignement de photons avant d’arriver à la nuée de comètes : nous la traversons et observons CO et juste au dessus la molécule OH « cassée » par le photon jaune. Nous arrivons à droite à la réaction HCO+ avec un électron d’arraché, et qui va donner CO (monoxyde de carbone) + un hydrogène. Plus haut nous voyons encore les ions H3+ et CH3+ sur lequel arrive un photon jaune. Nous voici à côté d’une planète en formation ? une simple hypothèse…
Continuons dans l’anneau marron au dessus de la planète en remontant à droite : nous dépassons CO, OH et H2+ et nous arrivons à la réaction C+ + OH qui donne CO+ + H. Plus haut la molécule H2 et l’ion H2+ vont donner l’ion H3+ et un hydrogène H. Nous sommes à droite en haut du disque juste sous l’essaim de comètes qui se dirige vers l’étoile.

Au delà du troisième sillon et à partir de 20 UA, le disque de poussières continue et s’étend, et un quatrième sillon apparaît à environ 22-23 UA.
Je reprends la lecture : « Planet Formation in Earth-like Orbit around a young star » : deux autres sillons situés à trois milliards et six milliards de kilomètres de l’étoile centrale, distances similaires à celles d’Uranus et de Pluton du soleil, ont été détectés.
Sur l’œuvre le quatrième sillon sombre symbolise l’anneau situé à environ 20 UA (trois milliards de km) de l’étoile, et tout en bas de l’œuvre le cinquième sillon sombre symbolise un autre anneau au delà de 30 UA, à environ six milliards de km de l’étoile. Ces anneaux sont le résultat de particules qui se sont agglomérées pour former des planètes, et à partir de 20 UA vraisemblablement des planètes géantes gazeuses. Ces dernières ont ensuite « nettoyé » l’anneau de gaz et de poussières, créant ainsi ces sillons sombres.
Sur l’œuvre dans le sillon sombre vers 20 UA, j’ai imaginé une géante gazeuse semblable à Saturne avec des anneaux glacés : on l’aperçoit dans la partie inférieure de la toile, légèrement à gauche.
Nous allons maintenant nous « promener » dans ce sillon et croiser la chimie et les réactions provoquées par les rayons X et UV qui s’échappent de l’étoile. Complètement à gauche dans le bord supérieur du disque protoplanétaire, une nuée de comètes entourée de grains de glace s’approche de l’étoile, juste en dessous une planète vient peut être de se former ? à environ 22 ou 25 UA ? Nous redescendons dans le sillon sombre en tournant vers la droite : nous croisons les molécules et ions H2+ où l’électron a été arrache, puis H2, puis HCO+ (hydrogène carbone oxygène) : cet ion a été « cassé » par les photons (en rose) énergétiques de l’étoile ; à côté l’ion HCO+ se recombine avec un électron pour donner CO (monoxyde de carbone) et un hydrogène H. Nous croisons les ions O+ et CH2+ autour desquels des électrons ont été arrachés.
Nous voici devant la planète géante et ses anneaux détectés dans le sillon à 20 UA, et à droite de la planète, nous retrouvons l’ion oxygène O-, H+ et toujours le monoxyde de carbone CO. Nous traversons le rayonnement de l’étoile, symbolisé par les photons en ondes jaunes et roses. En nous dirigeant toujours vers la droite nous croisons H2 : la molécule est « cassée » en H+ et H, puis un photon rose casse H2+, l’électron est arraché. Un autre photon jaune arrive et s’apprête à casser H2+, plus à droite H2 et H2+ se rejoignent pour former l’ion H3+ et H, juste dessous H+ et H s’assemblent pour donner H2 ; toujours plus à droite un photon jaune casse la molécule OH, l’oxygène part d’un côté et l’hydrogène de l’autre côté. Nous croisons à nouveau CO car nous nous approchons d’une nuée de comètes qui arrive en bas de l’oeuvre à droite et s’approche de l’étoile : nous traversons H2 et CO, composants des comètes. Tout à droit nous remontons légèrement dans le sillon sombre et nous apercevons l’ ion H3+, ainsi que CH2+ « cassé» par l’arrivée d’un photon rose.

Retournons maintenant complètement à gauche vers le bas de l’œuvre sous le quatrième sillon sombre : nous sommes dans la partie bleue, à plus de 20 UA, où de nombreuses poussières et molécules se collent sur des grains.
J’ai trouvé un schéma dans l’article : Mécanismes et synthèses à la surface des grains froids : LERMA-Université de Cergy-Pontoise, Observatoire de Paris : p 40 sur ce shéma est représenté l’accrétion d’une molécule de CO sur un grain de poussières et de roches, suivie de la désorption chimique en H2O.
Sur l’œuvre tout à gauche dans la partie bleue le CO (carbone en gris, oxygène en bleu) pénètre sur un grain noté GR, puis la molécule H2O est éjectée (voir photodésorption). Continuons dans la partie bleue en nous dirigeant vers la droite : la molécule H2 et l’ion H2+ vont donner l’ion H3+ et H ; juste dessous un carbone et H2O donnent l’ion HCO+. Nous traversons les photons stellaires et arrivons devant un autre grain froid : des ions hydrogène en vert tournent autour du grain, se collent dessus ainsi que le CO, ces réactions sont suivies par la désorption de H2O. A nouveau apparaît la réaction CO + H2 qui donne HCO+ + H, juste sous la planète géante gazeuse du quatrième sillon sombre. Plus bas nous croisons un grain GR où sont collés H et H+, à côté l’ion CO+ et l’hydrogène donnent CO et l’ion H+.
Nous arrivons devant un autre grain avec absorption de CO et désorption de H2O, nous croisons les photons stellaires et continuons à droite parmi les molécules H2 et les ions H2+ ainsi que les ions H+, nous apercevons l’ion CH2+ et l’ion O+. Nous voici à nouveau à côté d’un grain GR avec les réactions CO et H2O. Nous sommes juste au dessus de la planète géante gazeuse tout en bas de l’œuvre à droite : juste au dessus nous voyons un grain de poussière GR où s’est collé CO, puis où H2O a été éjectée. La molécule H2 et l’ion H2+ donnent également l’ion H3+ et H. Nous arrivons à côté d’un nuage de comètes tout en bas à droite, qui se dirige vers l’étoile au centre de l’oeuvre. Nous traversons le nuage de comètes, nous arrivons devant un grain GR duquel est expulsé H2O, nous croisons les photons stellaires en rose et en jaune, et nous arrivons à la molécule H2CO. Plus haut à l’extrémité droite dans la partie bleue, nous assistons à la désorption de l’ion HCO+ sous l’effet des photons UV en jaune de l’étoile.

Retournons maintenant complètement à gauche et tout en bas de l’oeuvre dans le cinquième sillon sombre. C’est dans ce sillon au delà de 30 UA, peut être vers 40 ou 50 UA qu’une autre planète géante gazeuse doit évoluer : elle est représentée tout en bas à droite.
Nous partons donc à gauche où est représenté au bord de l’œuvre un grain froid et rocheux où s’est formé le méthanol CH3OH ; au dessus l’ion H2+ et H2 donnent l’ion H3+ et H, un rayon UV rose frappe un ion H+, à côté de HCO et de H2O. Nous tournons lentement vers la droite, apparaissent les ions H+ et CH3+. Dessous est symbolisée une chaîne de réactions qui aboutissent au méthanol CH3OH : le monoxyde de carbone CO s’associe avec un hydrogène et donne HCO, puis un deuxième hydrogène donne H2CO, vient un troisième hydrogène cela donne H2COH, puis encore un hydrogène, la molécule devient CH3OH le méthanol.
Toujours en allant vers la droite, la molécule H2 et l’ion H2+ vont donner l’ion H3+ et un hydrogène H. Nous croisons différents ions et molécules H2+, OH, CH2OH et nous arrivons au méthanol représenté tout en bas de l’œuvre et au milieu.

Je reprends alors la lecture suivante sur internet : De la neige dans un système planétaire en formation/ESO France : tout en bas de l’oeuvre nous sommes loin de l’étoile, au delà de 30 UA, c’est là qu’apparait la limite neigeuse de TW Hydrae, comme elle se forme aussi autour d’autres étoiles jeunes.
A mesure qu’elle s’éloigne de l’étoile, l’eau H2O est la première à geler, constituant ainsi la première limite neigeuse. A plus grande distance de l’étoile, d’autres molécules sont susceptibles de geler à leur tour et de se transformer en neige comme le dioxyde de carbone CO2, le méthane CH4 et le monoxyde de carbone CO. Ces différentes neiges donnent aux grains de poussière une enveloppe extérieure collante, empêchant leur fragmentation, et leur permettant ainsi de constituer les pierres angulaires des planètes et des comètes.
Autour d’une étoile comme le soleil dans un système planétaire semblable au nôtre, la limite eau-neige se situerait à une distance comprise entre les orbites de Mars et de Jupiter, et la limite neigeuse du monoxyde de carbone correspondrait à l’orbite de Neptune, soit 30 UA. La limite neigeuse repérée par ALMA constitue le premier aperçu de la limite neigeuse du monoxyde de carbone autour de TW Hydrae. Or la glace de monoxyde de carbone est nécessaire à la formation du méthanol (comme indiqué dans la réaction en bas à gauche). La sensibilité et la résolution exceptionnelles d’ALMA ont permis aux astronomes de déterminer l’existence de la molécule de diazenylium (N2H+) non représentée sur l’œuvre, et qui n’existe que dans des régions où le monoxyde de carbone changé en neige ne peut plus la détruire.
Nous apprenons beaucoup grâce à ces détections, et des traces de limites neigeuses autour d’autres étoiles apparaissent déjà sur d’autres observations d’ALMA.
Voici quelques extraits d’une autre publication sur internet :
UV photodesorption of methanol in pure and CO-rich ices : m’appuyant sur cette publication d arXiv : 1601.07027, j’ai représenté au milieu tout en bas de l’oeuvre la molécule de méthanol CH3OH ainsi que les photofragments symbolisés au bout des six flèches jaunes : de gauche à droite on voit CO, CH3O, CH2OH+, CH3, CH. La photodésorption VUV est produite par irradiation UV de 7 à 14 eV, lorsque le méthanol est mélangé avec des molécules de CO : cette mesure est conforme avec les processus de photodissociation et recombinaison à l’origine de photofragments intacts que nous venons de découvrir.
Néanmoins, la photodésorption de radicaux provenant de glaces riches en méthanol peut être à l’origine de la présence de radicaux tels CH3O durant la phase gazeuse, ouvrant par conséquent de nouvelles voies en phase gazeuse pour la formation de molécules complexes.

Nous sommes toujours tout en bas de l’œuvre et à droite, nous arrivons à proximité de la deuxième planète géante gazeuse dans le sillon sombre formé à environ six milliards de km de l’étoile. Nous croisons encore le méthanol sur des grains glacés et rocheux ainsi que H2, CO et CO2 avant d’arriver devant la nuée de comètes qui se dirige vers l’étoile.

Voici la fin de ce premier voyage autour de TW Hydrae, j’espère que de futures observations me permettront de vous conduire à nouveau dans ce disque protoplanétaire, et d’y détailler d’autres découvertes à venir.