Il y a environ 4,5 milliards d’années, un objet de la taille de Mars, baptisé Théia, aurait percuté la Terre encore en formation (proto-Terre). L’impact aurait été si violent qu’il aurait vaporisé des quantités colossales de roche, dont une partie se serait ensuite agglomérée, pour former la Lune par accrétion. C’est l’une des hypothèses les plus solides de la planétologie contemporaine pour expliquer l’existence de notre satellite naturel. Le problème, c’est que cette collision, par définition, ne s’est produite qu’une seule fois dans notre Système solaire, et à part la Lune elle-même, il n’en reste aucune trace observable. Pour observer à quoi aurait pu ressembler un tel cataclysme, les astronomes sont donc contraints d’identifier d’autres étoiles dont les systèmes, encore jeunes, traversent actuellement la même phase d’agitation.
C’est la mission qu’a menée une équipe internationale de chercheurs, dirigée par Kate Su, du Space Science Institute de Boulder (Colorado), en exploitant les données infrarouges de James Webb et de son prédécesseur le télescope Spitzer, aujourd’hui retiré du service. Leurs résultats, publiés le 1er octobre dans la revue The Astrophysical Journal, décrivent le premier portrait d’ensemble d’une sous-classe d’environnements stellaires : les « Extreme Debris Disks ».
Le chaos des premiers mondes rocheux dévoilé par James Webb
Des anneaux de poussière anormalement chaude, localisés dans la zone où se forment les planètes rocheuses. Ils sont très rares dans l’Univers que nous pouvons observer, mais parmi les 21 que l’équipe a réussi à réunir, leur analyse a établi un lien entre la composition de ces débris et le type de cataclysme qui aurait engendré le système Terre-Lune.
C’est le télescope spatial Spitzer de la NASA, en service de 2003 à janvier 2020, qui avait pour la première fois détecté un de ces « Extreme Debris Disks ». En tout, ses archives en contenaient cinq : un chiffre insuffisant pour comprendre quelle était leur véritable nature. Grâce à James Webb, l’équipe a pu en repérer seize, dont douze observés pour la première fois, portant l’échantillon à 21. « C’est la première fois que nous réunissons suffisamment de systèmes pour véritablement comprendre cette sous-classe que nous appelons Extreme Debris Disks », explique Su. « Avant Webb, nous disposions d’informations limitées. Nous savions qu’ils sont atypiques, très différents des disques de débris froids que nous connaissons, comme Véga ou Fomalhaut [NDLR : deux étoiles entourées de disques de débris]. Désormais, nous pouvons déterminer ce que ces disques nous apprennent sur la formation et l’évolution des planètes. »
En décomposant la lumière infrarouge des 21 disques avec James Webb, l’équipe a pu identifier les minéraux qui composent leur poussière. Huit d’entre eux regorgent de silice, un matériau que l’on retrouve dans le verre volcanique sur Terre, mais qui, dans un disque de débris, ne peut se former qu’à des températures extrêmes : celles, par exemple, atteintes lorsque deux corps rocheux de la taille de Mars se percutent assez violemment pour vaporiser intégralement leurs roches.
Les treize autres en sont presque dépourvus : leur poussière provient de chocs moins extrêmes, entre des objets plus petits, comparables à la Lune, à l’issue desquels la matière se fracture sans se vaporiser.
Une différence renforcée par un facteur temporel : les disques riches en silice n’apparaissent qu’autour d’étoiles de moins de 300 millions d’années, soit la période durant laquelle les planètes rocheuses achèvent leur formation. Les disques pauvres en silice, en revanche, se retrouvent autour d’étoiles d’âges bien plus variés, et leur luminosité infrarouge fluctue de manière irrégulière, un signe que les orbites de ces systèmes restent perturbées bien après la phase initiale de formation planétaire.
Le passé de notre Système solaire est-il une exception ?
Cette classification (dictée par la chimie et la chronologie) reproduit quasiment l’histoire de notre Système solaire. L’impact entre Théia et la proto-Terre remonte à environ 100 millions d’années après la formation du Soleil : c’est une collision entre deux corps de taille martienne, exactement le type d’événement capable de vaporiser la roche et de produire la silice que Webb a détectée dans huit disques autour d’étoiles du même âge.
Les disques pauvres en silice, présents autour d’étoiles bien plus vieilles, correspondraient à un autre événement encore hypothétique : le Grand bombardement tardif (GBT). Selon cette théorie, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune auraient migré sur des centaines de millions de kilomètres entre 500 millions et un milliard d’années après la naissance du Soleil, éjectant par gravité des milliers de corps rocheux de leurs orbites et déclenchant des collisions en cascade étalées sur des centaines de millions d’années.
Comme l’expliquent les auteurs, ce type d’observations plonge les astronomes dans le passé tumultueux de notre Système solaire. « La formation des planètes rocheuses et l’évolution des planètes géantes font partie d’une histoire plus vaste : celle de la formation du Système solaire. Tout est lié », conclut Su. « Nos travaux sur les Extreme Debris Disks nous permettent de mieux comprendre comment tout cela s’articule », poursuit-elle. Même si ces 21 disques constituent le plus grand échantillon jamais assemblé pour cette sous-classe, il reste encore insuffisant : « Nous n’avons que trois disques dans notre échantillon qui correspondent à ce critère d’âge [NDLR : celui du GBT], il serait bon d’en observer davantage pour confirmer notre hypothèse », reconnaît Attila Moór, co-auteur et chercheur à l’Observatoire Konkoly de Budapest. Les prochaines campagnes de James Webb, du tout nouveau Nancy Grace Roman Space Telescope et de la mission PRIMA (PRobe far-Infrared Mission for Astrophysics), sélectionnée le 23 septembre 2026 par la NASA pour l’observation dans l’infrarouge lointain (entre 24 et 235 µm) devraient donner à l’équipe les moyens de vérifier si le GBT est un événement propre à notre Système solaire ou un phénomène répandu dans la galaxie.
