Dans IC 348, Webb détecte les plus petites naines brunes connues

Le télescope spatial James-Webb a repoussé une limite dans l’amas IC 348 : il y a détecté des naines brunes errantes dont la masse est estimée à environ deux fois celle de Jupiter. Ces objets, qui ne gravitent pas autour d’une étoile, se situent dans la zone floue entre les planètes géantes et les « étoiles avortées ». Ils constituent donc un test rare pour comprendre jusqu’à quelle petite masse une pouponnière stellaire peut fabriquer un objet par elle-même. 1

Des objets presque invisibles révélés en infrarouge

IC 348 se trouve à environ 1 000 années-lumière, dans la région de formation d’étoiles de Persée. Dans cette zone jeune, les poussières, les étoiles naissantes et les sources enfouies sont particulièrement bien observables en infrarouge. La sensibilité de Webb permet aussi d’y repérer des objets extrêmement froids et peu lumineux, qui passeraient largement inaperçus autrement. 1

La recherche s’est déroulée en deux temps :

1. La caméra NIRCam a mesuré la luminosité et les couleurs infrarouges des sources. Les jeunes naines brunes froides y présentent une signature différente de celle des étoiles ordinaires ou de nombreux objets d’arrière-plan.
2. Le spectrographe NIRSpec a ensuite étudié les candidats les plus convaincants. Leurs spectres apportent des indices sur leurs atmosphères froides et leur jeunesse, et permettent d’estimer leurs propriétés physiques, dont leur masse.

Cette campagne approfondit une première découverte de Webb dans IC 348. La recherche initiale avait identifié trois naines brunes libres de moins de huit masses joviennes, dont une estimée entre trois et quatre masses de Jupiter. Le suivi plus profond a révélé de nouveaux membres proches de deux masses joviennes. 3

Pourquoi deux masses de Jupiter changent la donne

Une naine brune n’a pas la masse nécessaire pour entretenir durablement la fusion de l’hydrogène, la réaction qui alimente les étoiles ordinaires. Les plus massives peuvent fusionner du deutérium pendant un temps, mais elles ne deviennent pas pour autant des étoiles stables brûlant de l’hydrogène.

Les objets les moins massifs d’IC 348 ont une masse comparable à celle de planètes géantes. Pourtant, ils flottent librement dans l’espace. À cette échelle, la masse ne suffit plus à trancher : un objet peut avoir une masse « planétaire » tout en étant qualifié de naine brune — ou d’objet de masse planétaire — si son origine paraît relever davantage de la formation stellaire que de la formation d’une planète dans un disque autour d’un astre.

C’est précisément ce qui intéresse les astrophysiciens. Les modèles classiques de fragmentation des nuages de gaz ont du mal à produire des objets isolés de seulement quelques masses joviennes. La NASA souligne que ces découvertes défient les modèles de formation des étoiles. Elles fixent une nouvelle contrainte sur la masse minimale atteinte dans IC 348, sans identifier à elles seules le mécanisme de formation de ces corps. 1

Une masse estimée, pas mesurée sur une balance

L’expression « environ deux masses de Jupiter » désigne une estimation, non une mesure directe. Pour des naines brunes très jeunes, les chercheurs combinent luminosité et spectres avec des modèles d’évolution décrivant leur refroidissement et leur affaiblissement au fil du temps. Le résultat dépend donc notamment de l’âge adopté et des hypothèses sur leur évolution précoce.

Il faut ainsi retenir avant tout qu’IC 348 abrite des membres substellaires confirmés ou fortement étayés dans une gamme de masse exceptionnellement basse, plutôt qu’y voir une frontière parfaitement nette entre naines brunes et planètes.

Des disques autour d’objets de masse planétaire

Deux nouveaux membres d’IC 348, dont les masses sont estimées à environ deux et dix fois celle de Jupiter, présentent un fort excès infrarouge associé à des disques circumstellaires. Ces disques contiennent de la matière à partir de laquelle des planètes ou des lunes pourraient, en principe, se former.

L’implication est saisissante : les ingrédients de la formation planétaire pourraient entourer des objets qui sont eux-mêmes proches de la masse d’une planète. Mais Webb n’a pas photographié de planètes en train de naître dans ces disques. L’excès infrarouge révèle de la matière circumstellaire ; il ne prouve pas encore qu’une planète s’y forme.

Jets, chocs et pouponnière stellaire en activité

La mosaïque d’IC 348 ne se résume pas à un recensement de naines brunes. Elle montre aussi de jeunes étoiles qui façonnent violemment leur environnement en éjectant des jets de matière dans le gaz et la poussière. Ces jets puissants figurent parmi les structures marquantes mises en avant par la NASA.

Leurs collisions avec le milieu environnant produisent des objets de Herbig-Haro : des zones de choc lumineuses. Le panorama inclut notamment HH 797 et HH 211. Il réunit ainsi, dans une même vue, plusieurs étapes de la naissance stellaire : protoétoiles enfouies, jeunes étoiles émergentes, écoulements de matière, disques et objets substellaires errants parmi les plus faibles jamais observés.

Une énigme chimique au bas de l’échelle des masses

Les spectres de certaines naines brunes parmi les moins massives révèlent aussi une absorption attribuée à un hydrocarbure aliphatique non identifié. Une absorption semblable, autour de 3,4 micromètres, a déjà été signalée dans le milieu interstellaire ainsi que dans les atmosphères de Saturne et de Titan. 714

Des chercheurs ont proposé que ce comportement spectral inhabituel puisse justifier une nouvelle classe pour ces sources. Toutefois, l’identification précise de la molécule comme cette éventuelle classification restent à confirmer. Ce signal est donc un indice prometteur, pas une réponse définitive, sur la chimie atmosphérique des plus petites naines brunes libres connues. 9

Ce que la découverte apporte réellement

Webb a fait descendre, dans IC 348, la limite observée pour les naines brunes errantes : d’environ trois à quatre masses de Jupiter dans le premier résultat à près de deux masses joviennes. La découverte montre que les régions de formation d’étoiles peuvent produire des objets dans une gamme de masse longtemps surtout associée aux planètes. Les disques observés et les spectres atypiques ouvrent, eux, de nouvelles questions sur leur naissance et leur évolution.

La prochaine étape ne consistera pas seulement à détecter des objets encore plus faibles. Il faudra déterminer s’ils se sont formés par effondrement direct d’un nuage de gaz, par éjection dynamique, par fragmentation d’un disque, ou par plusieurs de ces voies à la fois — et savoir si leurs disques peuvent un jour former des mondes plus petits autour d’eux.