Le télescope James-Webb observe une nébuleuse fascinante où brillent les mythiques molécules en forme de ballon de football

Lorsque Sir Harry Kroto a réussi, en compagnie de Bob Curl et Rick Smalley, à synthétiser des fullerènes de formule C60 – donc à soixante atomes de carbone -, la structure de ces molécules, en forme de ballon de football, avait frappé l’imagination.

Kroto pensait que ce genre de molécules, baptisées plus tard des buckminsterfullerènes en référence aux dômes géodésiques de l’architecte américain Richard Buckminster Fuller, devaient exister dans l’espace. En fait, elles avaient été prédites en 1970 par un chimiste japonais Eiji Osawa. Mais Kroto, qui s’était lancé à la même époque dans un programme de recherche de chaînes carbonées dans l’espace interstellaire, pensait qu’elles pouvaient se former dans les atmosphères des étoiles carbonées. 

Des atmosphères stellaires reproduites sur Terre

Ayant entendu parler plus tard des travaux de spectrographie laser de Richard Smalley et de Robert Curl à l’Université Rice, il s’associa à ces chercheurs pour simuler en laboratoire ces atmosphères et tenter d’y détecter la présence de molécules C60. Leur succès fut annoncé par un article de Nature en 1985 et il vaudra à ces chercheurs le prix Nobel de chimie 1996.

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D’autres molécules de carbone en forme de ballon de football furent découvertes par la suite, possédant un nombre d’atomes de carbone différent, plus grand ou plus petit que 60. Elles sont collectivement désignées par le terme fullerène.

Les fullerènes, encore appelés buckyballs, vibrent et peuvent absorber et émettre de la lumière dans l’infrarouge avec un spectre caractéristique. On voit ici des raies d’émissions des C60 (flèches mauves) et C70 (flèches bleues) vues par le télescope spatial Spitzer dans la nébuleuse planétaire Tc1. © Nasa, JPL-Caltech, University of Western Ontario

Toutefois, aucune preuve solide de l’existence des buckminsterfullerènes dans l’espace n’avait été obtenue, alors qu’on en trouvait dans certaines météorites.

Cela a changé en 2010 grâce aux observations dans l’infrarouge faites par Jan Cami, astronome de l’Institut Seti, à l’aide de Spitzer.

Cami et ses collègues avaient en fait découvert par sérendipité la présence du fullerène C60 dans la nébuleuse planétaire Tc1.

Selon les propres mots du chercheur : « Cela ne faisait pas partie de nos investigations, mais quand nous avons vu certaines signatures spectrales, nous avons su immédiatement que nous étions en présence de l’une des molécules les plus recherchées. » Ces buckyballs C60 sont portées à la température ambiante de la nébuleuse planétaire. Elles s’agitent donc peu et leur spectre infrarouge devient particulièrement facile à identifier.

L’astronome Jan Cami, de l’Université Western Ontario, et son équipe de chercheurs ont découvert des fullerènes dans l’espace – des molécules en forme de ballon de football initialement créées en laboratoire sur Terre. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Western University

Le JWST prend la relève de Spitzer

À l’annonce de cette découverte publiée dans Science, Sir Hary Kroto, anobli depuis quelque temps, avait fait le commentaire suivant : « Cette avancée particulièrement passionnante fournit une preuve convaincante de ce que j’ai longtemps suspecté. Les buckyballs existent depuis des temps immémoriaux dans les recoins les plus sombres de notre Galaxie. »

Sur Terre, on a trouvé des fullerènes dans la suie, dans certaines roches et ils font depuis l’objet de travaux en nanotechnologie. On pourrait s’en servir pour stocker de l’hydrogène, en nanomédecine pour délivrer des substances actives dans les cellules, pour réaliser des matériaux supraconducteurs et même des armures plus solides que l’acier.

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Quinze ans plus tard, Jan Cami, professeur de physique et d’astronomie à la Western University (Canada), s’est tourné à  nouveau vers des observations de la nébuleuse planétaire Tc 1, formée par une étoile en fin de vie située à plus de 10 000 années-lumière du Soleil, dans la constellation de l’Autel. Mais cette fois, lui et ses collègues disposaient des observations rendues possibles par l’instrument infrarouge moyen (Miri) du télescope spatial James-Webb (JWST).

On dispose désormais d’une nouvelle image plus détaillée, où sont présents des filaments vaporeux et des coquilles de gaz scintillantes, bien qu’en fausses couleurs, puisque prise dans l’infrarouge moyen, de sorte que le gaz chaud apparaît en bleu, le gaz froid en rouge.

Cette image montre la nébuleuse planétaire Tc 1 observée par l’instrument infrarouge moyen (Miri) du télescope spatial James-Webb. L’instrument combine neuf filtres couvrant des longueurs d’onde de 5,6 à 25,5 microns, bien au-delà de la limite de détection de l’œil humain. Les tons bleus représentent les gaz les plus chauds aux longueurs d’onde infrarouges moyennes les plus courtes, tandis que les tons rouges indiquent la présence de matière plus froide aux longueurs d’onde les plus longues. Le traitement de l’image a été réalisé par Katelyn Beecroft à l’aide du logiciel PixInsight. Les nouvelles observations du JWST comprennent non seulement de l’imagerie, mais aussi de riches données spectroscopiques – des signatures chimiques détaillées du gaz et des molécules présents dans toute la nébuleuse – et plusieurs articles scientifiques sont en cours de préparation. Tc 1 est ce qui reste d’une étoile semblable à notre Soleil après que celle-ci a épuisé son combustible nucléaire et éjecté ses couches externes sous forme d’enveloppes de gaz et de poussière en expansion. Le cœur stellaire chaud restant – une naine blanche – inonde son environnement de rayonnement ultraviolet, ce qui provoque la luminescence du gaz expulsé. Ce processus, qui se déroule sur des dizaines de milliers d’années, sculpte les structures complexes désormais visibles grâce au JWST (Nasa, ESA, CSA, Université Western, J. Cami)

Des molécules pour la cosmochimie et l’exobiologie ?

Dans un communiqué de la Western University (WU), la nouvelle image fait dire à Jan Cami que « Tc 1 était déjà extraordinaire, car c’est cet objet qui nous a révélé l’existence des fullerènes dans l’espace, mais cette nouvelle image montre que nous n’avions fait qu’effleurer le sujet. Les structures que nous observons maintenant sont époustouflantes et soulèvent autant de questions qu’elles apportent de réponses ».

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Sa collègue Els Peeters, également professeur de physique et d’astronomie à la WU, ajoute quant à elle : « Lorsque nous avons proposé ces observations, nous savions que Tc 1 était un objet particulier. Mais ce que le JWST nous a révélé dépasse de loin nos attentes. Nous comprenons déjà mieux la nature des fullerènes eux-mêmes et pourquoi ils brillent si intensément dans cet objet – des questions qui nous taraudent depuis quinze ans. C’est l’un de ces ensembles de données qui nous occuperont pendant des années. »

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Toujours dans le communiqué de la WU, Dries Van De Putte, chercheur postdoctoral, explique que  « la découverte de fullerènes dans l’espace est importante car elle aide les scientifiques, comme nous, à étudier la chimie du carbone, à expliquer des signaux mystérieux et à comprendre comment les matières organiques évoluent dans des environnements extrêmes. Leur découverte a également remis en question les conceptions traditionnelles de la chimie spatiale et a fourni des indices sur l’origine possible de la vie. Je cherche à déterminer si ces fullerènes se sont formés de la même manière que sur Terre ou par un processus complètement différent ».