Webb découvre une "queue de chat" poussiéreuse dans le système Beta Pictoris.

10 janvier 2024

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par le Centre de vol spatial Goddard de la NASA

Beta Pictoris, un jeune système planétaire situé à seulement 63 années-lumière, continue d'intriguer les scientifiques même après des décennies d'études approfondies. Il possède le premier disque de poussière imagé autour d'une autre étoile - un disque de débris produit par des collisions entre des astéroïdes, des comètes et des planétésimaux.

Les observations du télescope spatial Hubble de la NASA ont révélé un second disque de débris dans ce système, incliné par rapport au disque extérieur, qui a été observé en premier. Maintenant, une équipe d'astronomes utilisant le télescope spatial James Webb de la NASA pour imager le système Beta Pictoris (Beta Pic) a découvert une nouvelle structure jamais vue auparavant.

L'équipe, dirigée par Isabel Rebollido du Centre d'astrobiologie en Espagne, a utilisé le NIRCam (Caméra infrarouge proche) et le MIRI (Instrument infrarouge moyen) de Webb pour étudier la composition des disques de débris principal et secondaire précédemment détectés de Beta Pic. Les résultats ont dépassé leurs attentes, révélant une branche de poussière fortement inclinée, en forme de queue de chat, qui s'étend depuis la portion sud-ouest du disque de débris secondaire.

"Beta Pictoris est le disque de débris qui a tout : il a une étoile très brillante et proche que nous pouvons étudier très bien, et un environnement circumstellaire complexe avec un disque à plusieurs composants, des exocomètes et deux exoplanètes imaginées", a déclaré Rebollido, auteure principale de l'étude. "Bien qu'il y ait eu des observations précédentes du sol dans cette plage de longueurs d'onde, elles n'avaient pas la sensibilité et la résolution spatiale que nous avons maintenant avec Webb, donc elles n'ont pas détecté cette caractéristique."

Un portrait d'étoile amélioré avec Webb

Même avec Webb ou JWST, regarder Beta Pic dans la bonne plage de longueurs d'onde - dans ce cas, le moyen infrarouge - était crucial pour détecter la queue de chat, car elle n'apparaissait que dans les données MIRI. Les données du moyen infrarouge de Webb ont également révélé des différences de température entre les deux disques de Beta Pic, ce qui est probablement dû à des différences de composition.

"Nous ne nous attendions pas à ce que Webb révèle qu'il y a deux types différents de matériau autour de Beta Pic, mais MIRI nous a clairement montré que le matériau du disque secondaire et de la queue de chat est plus chaud que le disque principal", a déclaré Christopher Stark, co-auteur de l'étude au Centre de vol spatial Goddard de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland. "La poussière qui forme ce disque et cette queue doit être très sombre, donc nous ne la voyons pas facilement aux longueurs d'onde visibles - mais dans le moyen infrarouge, elle brille".

Pour expliquer la température plus élevée, l'équipe a déduit que la poussière pourrait être un "matériau réfractaire organique hautement poreux", similaire à la matière trouvée à la surface des comètes et des astéroïdes de notre système solaire. Par exemple, une analyse préliminaire du matériau échantillonné de l'astéroïde Bennu par la mission OSIRIS-REx de la NASA a révélé qu'il était très sombre et riche en carbone, très similaire à ce que MIRI a détecté à Beta Pic.

Cependant, une question majeure persiste : que pourrait expliquer la forme de la queue de chat, une caractéristique courbée unique par rapport à ce qui est observé dans les disques autour d'autres étoiles ?

Rebollido et l'équipe ont modélisé différents scénarios pour tenter de reproduire la queue de chat et en comprendre les origines. Bien que des recherches et des tests supplémentaires soient nécessaires, l'équipe présente une forte hypothèse selon laquelle la queue de chat est le résultat d'un événement de production de poussière qui s'est produit il y a à peine cent ans.

"Quelque chose se produit - comme une collision - et beaucoup de poussière est produite", a déclaré Marshall Perrin, co-auteur de l'étude à l'Institut de science du télescope spatial à Baltimore, dans le Maryland. "Au début, la poussière va dans la même direction orbitale que sa source, mais elle commence aussi à se disperser. La lumière de l'étoile pousse les particules de poussière les plus petites et les plus moelleuses plus rapidement, tandis que les grains plus gros ne bougent pas autant, créant une longue traînée de poussière".

"La caractéristique de la queue de chat est très inhabituelle, et reproduire la courbure avec un modèle dynamique a été difficile", explique Stark. "Notre modèle nécessite une poussière qui peut être expulsée du système extrêmement rapidement, ce qui suggère à nouveau qu'elle est composée de matériau réfractaire organique".

Le modèle préféré de l'équipe explique l'angle prononcé de la queue loin du disque comme une simple illusion optique. Notre perspective combinée à la forme courbée de la queue crée l'angle observé de la queue, alors qu'en réalité, l'arc de matériau quitte le disque avec une inclinaison de cinq degrés. En tenant compte de la luminosité de la queue, l'équipe estime la quantité de poussière dans la queue de chat équivalente à un grand astéroïde de la ceinture principale étalé sur 10 milliards de milles.

A recent dust production event within Beta Pic's debris disks could also explain a newly-seen asymmetric extension of the inclined inner disk, as shown in the MIRI data and seen only on the side opposite of the tail. Recent collisional dust production could also account for a feature previously spotted by the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array in 2014: a clump of carbon monoxide (CO) located near the cat's tail. Since the star's radiation should break down CO within roughly one hundred years, this still-present concentration of gas could be lingering evidence of the same event.

'Our research suggests that Beta Pic may be even more active and chaotic than we had previously thought,' said Stark. 'JWST continues to surprise us, even when looking at the most well-studied objects. We have a completely new window into these planetary systems.'

Provided by NASA's Goddard Space Flight Center