La complexité chimique des proto-étoiles de type solaire

Les régions de formation stellaire sont le siège d’une chimie particulièrement riche. Dès la formation du nuage moléculaire, futur lieu de naissance des étoiles, des espèces chimiques, telles que l’eau, se forment à la surface des grains de poussière. Dans les cœurs denses et froids présents au sein de ces nuages, la molécule de monoxyde de carbone (CO) se colle à la surface des grains permettant la mise en place de la complexité chimique en parallèle de l’évolution du cœur dense en proto-étoile. Des réactions d’hydrogénation du CO mènent, d’une part, à la formation du formaldéhyde (H2CO) et du méthanol (CH3OH). D’autre part, la formation et diffusion de radicaux sur les grains permettent la formation d’autres espèces beaucoup plus complexes comme par exemple, le glycolaldéhyde (CH2OHCHO), une molécule considérée comme prébiotique de par son implication dans la formation du ribose, un élément essentiel de l’ARN, sous des conditions terrestres. Ces molécules sont ensuite libérées en phase gazeuse dans les régions internes des proto-étoiles où la température est suffisamment élevée (> 100 K).
Figure 1 : La région de formation d’étoiles de rho Ophiuchi. La proto-étoile IRAS 16293-2422 est indiquée par un cercle blanc. Certaines des molécules récemment détectées en direction de cette source (CH3NCO, NH2CN, CH3Cl, et C2H5CHO) sont présentées. Crédits : ESO/Digitized Sky Survey 2/L. Calçada

A l’aide de radiotélescopes, il est possible d’observer ces espèces et donc de déterminer la composition chimique des régions de formation stellaire. Cela est d’autant plus intéressant que ces espèces pourraient survivre au processus de formation stellaire et participer à la composition des comètes et astéroïdes ayant bombardé les planètes primitives.
 
Depuis quelques années, les interféromètres, tout particulièrement l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) et le NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA), ont permis de révolutionner notre connaissance des régions internes de proto-étoiles de type solaire.
La proto-étoile IRAS 16293-2422, située dans le nuage de rho Ophiuchi (Fig. 1), est considérée comme une référence pour ce type d’objet. Cette source binaire a fait l’objet d’un large relevé spectral avec ALMA dans le cadre du programme PILS (Protostellar Interferometric Line Survey). La sensibilité de ce relevé a permis la détection d’espèces jamais identifiées auparavant dans de telles sources : l’acétone (CH3COCH3), le propanal (C2H5CHO), l’oxyde d’éthylène (c-C2H4O), le chlorométhane (CH3Cl), l’isocyanate de méthyle (CH3NCO) et tout dernièrement le cyanamide (NH2CN, Fig. 2). Toutes ces espèces ont été détectées en direction des régions internes chaudes de la source. A noter que le cyanamide a également été détecté en direction d’une autre proto-étoile (NGC1333 IRAS2A), ce qui indique que cette espèce pourrait être relativement commune dans les régions de formation stellaire.
 
Figure 2 : Raies de NH2CN détectées avec ALMA en direction de la source IRAS16293 B. Les meilleurs modèles pour des températures d’excitation de 300 K et 100 K sont indiqués en rouge et bleu, respectivement. Les énergies de niveau supérieure (Eup) de chacune des raies sont indiquées dans les coins inférieurs droits.

 

En parallèle de ces détections, nous cherchons également à comprendre les voies de formation et de destruction de ces espèces, qui ne sont pas encore toutes prises en compte dans les modèles chimiques actuels. A l’aide d’expériences de laboratoire, nous avons, par exemple, montré que l’isocyanate de méthyle pourrait se former à la surface des grains via la réaction CH3 + HNCO. Les formes isotopiques de certaines espèces complexes (deutérées, 13C, 15N) ont aussi été détectées avec ALMA en direction de la proto-étoile IRAS 16293-2422, ce qui permet de mettre en évidence de potentiels liens entre espèces. La similarité du rapport de deutération du cyanamide et du formamide (NH2CHO) en plus de la similarité de leur distribution spatiale suggèrent une possible formation de ces deux espèces à partir d’un même précurseur, NH2. A l’aide de modèles de chimie, nous avons, par ailleurs, montré que l’inclusion de la réaction NH2 + CN à la surface des grains permet, sous certaines conditions physiques, de reproduire les abondances observées de cyanamide en direction des deux proto-étoiles, IRAS 16293-2422 et NGC1333 IRAS2A.
 
Contact au LAB : Audrey Coutens, équipe Astrochimie moléculaire et origine des systèmes planétaires (AMOR)
                                    Coutens, A., Willis, E. R., Garrod, R. T., et al. 2018, accepté dans A&A
                                    Fayolle, E. C., Öberg, K. I., Jørgensen, J. K., et al. 2017, Nature Astronomy, 1, 703
                                    Jørgensen, J. K., van der Wiel, M. H. D., Coutens, A., et al. 2016, A&A, 595, A117
                                    Ligterink, N. F. W., Coutens, A., Kofman, V., et al. 2017, MNRAS, 469, 2219
                                    Lykke, J. M., Coutens, A., Jørgensen, J. K., et al. 2017, A&A, 597, A53