Pour la première fois depuis 40 ans : le télescope James Webb détecte un rayonnement « interdit » de l'ion hydrogène triatomique

Le télescope spatial James Webb a détecté un type rare de lumière émise par l'ion hydrogène triatomique, connu sous le symbole H3+, dans une découverte jamais enregistrée auparavant dans l'espace ou en laboratoire.

Cette observation offre aux scientifiques un nouvel outil pour étudier la chimie cosmique et les gaz chauds entourant les étoiles en phase de formation.

La découverte intervient près de quatre décennies après la prédiction théorique de ce type d'émission, connue sous le nom de spectre rotationnel pur de l'ion hydrogène triatomique.

L'étude a été dirigée par le chercheur David Neufeld, de l'université Johns Hopkins, et ses résultats ont été acceptés pour publication dans la revue "Astrophysical Journal Letters".

Le signal provenait d'un gaz chaud à l'intérieur de l'objet "Herbig-Haro 168", situé dans une région de formation stellaire à environ 2300 années-lumière de la Terre.

Détection du signal rare

L'ion hydrogène triatomique est composé de trois noyaux d'hydrogène partageant deux électrons et adopte une forme triangulaire équilatérale, lui conférant des propriétés électriques distinctives.

Cet ion ne possède pas de moment dipolaire électrique permanent ; il n'émet donc généralement pas de rayonnement électromagnétique lors de sa rotation.

Mais les astrophysiciens Fu-Shi Pan et Takeshi Oka ont prédit en 1986 que l'ion pourrait émettre une faible lumière en raison d'une légère déformation survenant pendant sa rotation.

La force centrifuge provoque une modification limitée de la symétrie géométrique de l'ion, générant un petit moment électrique qui permet des émissions lumineuses appelées "transitions interdites".

Le terme "interdites" ne signifie pas qu'elles violent les lois de la physique, mais qu'il s'agit de transitions faibles qui ne se produisent pas selon les règles spectrales habituelles.

Pendant près de 40 ans, ce signal est resté indétectable en raison de son extrême faiblesse, avant que le télescope James Webb ne parvienne à le découvrir grâce à l'instrument infrarouge moyen MIRI.

Secrets des molécules cosmiques

Les objets "Herbig-Haro" se forment lorsque les jets émis par les jeunes étoiles entrent en collision avec les gaz et la poussière environnants.

Cette collision génère des ondes de choc qui chauffent le gaz à plusieurs milliers de degrés, le faisant briller et émettre des rayonnements détectables.

Le télescope James Webb a pu percer la poussière cosmique entourant les régions de formation stellaire grâce à sa capacité à observer les rayonnements infrarouges.

Les chercheurs ont identifié 26 raies spectrales émises par l'ion hydrogène triatomique, dont l'intensité dépassait cinq "sigma" dans au moins l'une des deux zones d'observation.

La raie spectrale la plus intense affichait une signification statistique de 72 sigma, une mesure indiquant que la probabilité que le signal résulte d'un bruit aléatoire est extrêmement faible, et non une unité de mesure des charges électriques.

Les résultats montrent que les émissions de l'ion hydrogène triatomique suivent la distribution de l'hydrogène moléculaire chaud dans le gaz affecté par les ondes de choc.

Cependant, les modèles actuels n'ont pas réussi à expliquer entièrement l'intensité du signal, certains sous-estimant les émissions observées d'un facteur compris entre cinq et six.

Ces raies spectrales pourraient à l'avenir aider à étudier les taux d'ionisation dans les gaz chauds entourant les étoiles naissantes et à comprendre les réactions chimiques se produisant dans l'espace.