De la poussière de diamants autour d’étoiles lointaines

Une étude suggère que des nanodiamants seraient à l’origine de ce qu’on appelle l’émission de micro-ondes irrégulière ou la Poussière tournoyante.


Une impression d'artiste sur les diamants nanométriques entourant une jeune étoile dans la Voie Lactée - Crédit : S. Dagnello, NRAO/AUI/NSF
Une impression d'artiste sur les diamants nanométriques entourant une jeune étoile dans la Voie Lactée - Crédit : S. Dagnello, NRAO/AUI/NSF

Pendant des décennies, les astronomes ont réfléchi à la source exacte d’un type particulier de faible lumière à micro-ondes émanant d’un certain nombre de régions à travers la Voie lactée. Connue sous le nom d’émission de micro-ondes irrégulière (AME) ou Poussière tournoyante, cette lumière provient de l’énergie libérée par des nanoparticules à rotation rapide.

L’émission de micro-ondes irrégulière

Même si nous savions qu’un type de particule est responsable de cette lumière micro-onde, sa source précise a été une énigme depuis qu’elle a été détectée il y a près de 20 ans selon Jane Greaves, astronome à l’université de Cardiff au Pays de Galles. Le papier a été publié dans Nature Astronomy.1

Jusqu’à présent, on pensait que le principal responsable de cette émission micro-ondes était une classe de molécules organiques connues sous le nom d’hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). Des molécules carbonées présentes dans l’espace interstellaire et reconnues par l’émission caractéristique de leur lumière infrarouge. Les nanodiamants, notamment les nanodiamants hydrogénés, ceux avec des molécules contenant de l’hydrogène sur leur surface, émettent également naturellement dans la partie infrarouge du spectre, mais à une longueur d’onde différente.

Une série d’observations avec le Green Bank Telescope (GBT) de la National Science Foundation en Virginie-Occidentale et l’Australian Telescope Compact Array (ATCA) ont pour la première fois analysé 3 sources claires de lumière AME sur des disques protoplanétaires entourant les jeunes étoiles connues sous le nom de V892 Tau, HD 97048 et MWC 297.

Une détection sur des disques protoplanétaires

Il s’agit de la première détection claire d’une émission de micro-ondes anormale provenant de disques protoplanétaires selon David Frayer, un coauteur du papier et astronome du Green Bank Observatory. Les astronomes notent également que la lumière infrarouge provenant de ces systèmes correspond à la signature unique des nanodiamants. Mais d’autres disques protoplanétaires tout au long de la Voie lactée possèdent la signature infrarouge claire des HAP, mais ne montrent aucun signe de la lumière AME.

Cela suggère fortement que les HAP ne sont pas la source mystérieuse du rayonnement en micro-ondes anormal comme le pensaient les astronomes. Au contraire, les nanodiamants hydrogénés, qui se forment naturellement à l’intérieur des disques protoplanétaires et se trouvent dans les météorites sur Terre, sont la source la plus probable de lumière AME dans notre galaxie.

De la poussière de nanodiamants

Nous avons éliminé toutes les autres causes et nous pouvons affirmer avec confiance que le meilleur candidat capable de produire cette lueur micro-ondes est la présence de nanodiamants autour de ces nouvelles étoiles selon Greaves. Sur la base de leurs observations, les astronomes estiment que jusqu’à 1 à 2 % du carbone total de ces disques protoplanétaires est entré dans la formation de nanodiamants.

Les preuves de nanodiamants dans les disques protoplanétaires ont augmenté au cours des dernières décennies. Les modèles statistiques soutiennent également fortement la prémisse que les nanodiamants sont abondants autour des étoiles en formation et ils sont responsables de l’émission de micro-ondes anormale.

Pour leur recherche, les astronomes ont utilisé le GBT et l’ATCA pour étudier 14 jeunes étoiles à travers la Voie lactée pour des indices d’émission anormale de micro-ondes. L’AME était clairement visible dans 3 des 14 étoiles, qui sont aussi les 3 seules étoiles parmi les 14 qui montrent la signature spectrale IR des nanodiamants hydrogénés.

Des implications pour l’étude du fond diffus cosmologique

Cette détection a des implications intéressantes pour l’étude de la cosmologie et la recherche de preuves que notre univers a commencée avec une période d’inflation. Si immédiatement après le Big Bang, notre univers s’est développé à un rythme qui dépassait largement la vitesse de la lumière, alors une trace de cette période d’inflation devrait être présente dans une polarisation particulière du fond diffus cosmologique. Même si cette signature de la polarisation n’a pas encore été détectée de manière concluante, le travail de Greaves et de ses collègues offre un certain espoir que cela pourrait être le cas.

C’est une bonne nouvelle pour ceux qui étudient la polarisation du fond diffus cosmologique, car le signal des nanodiamants serait faiblement polarisé selon Brian Mason, astronome à l’Observatoire national de radioastronomie et coauteur du papier. Cela signifie que les astronomes peuvent maintenant faire de meilleurs modèles de la lumière micro-onde à l’avant-plan de notre galaxie qu’on doit supprimer pour étudier la rémanence lointaine du Big Bang.

Les nanodiamants se forment probablement à partir d’une vapeur surchauffée d’atomes de carbone dans des régions de formation d’étoiles hautement énergisées. Ce n’est pas différent des méthodes industrielles de création de nanodiamants sur Terre. En astronomie, les nanodiamants sont spéciaux, car leur structure produit ce que l’on appelle un moment dipolaire. Ce dernier est un agencement d’atomes qui leur permet d’émettre un rayonnement électromagnétique lorsqu’ils sont en rotation. Étant donné que ces particules sont si petites, plus petites que les particules normales dans un disque protoplanétaire, elles peuvent tourner très rapidement en émettant un rayonnement dans la gamme des micro-ondes plutôt que dans la gamme des autres longueurs d’onde.

Il s’agit d’une solution intéressante et inattendue à l’énigme du rayonnement de micro-ondes anormale selon Greaves. Il est encore plus intéressant de constater qu’il a été obtenu en examinant les disques protoplanétaires en mettant en lumière les caractéristiques chimiques des premiers systèmes solaires, y compris le nôtre.

Sources

1.
Anomalous microwave emission from spinning nanodiamonds around stars. Nature Astronomy. 10.1038/s41550-018-0495-z” target=”_blank” rel=”noopener noreferrer”>http://dx.doi.org/10.1038/s41550-018-0495-z. Published June 11, 2018. Accessed June 11, 2018.
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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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