En juin 1986, Fu-Shih Pan et Takeshi Oka, deux chercheurs de l’Université de Chicago, ont publié une étude dans la revue The Astrophysical Journal, dans laquelle ils affirmaient qu’une molécule très répandue dans l’espace, le cation trihydrogène (H3+), devait émettre une lumière infrarouge extrêmement faible en tournant sur elle-même. Leur calcul contredisait en apparence une règle de la physique moléculaire, selon laquelle une molécule aussi symétrique ne peut pas rayonner de cette manière. Aucune expérience ni aucune observation n’a permis de le vérifier pendant quarante ans.
Pour émettre de la lumière en tournant, une molécule doit posséder un dipôle électrique, c’est-à-dire des charges positives et négatives réparties de façon inégale. Il se trouve que le cation trihydrogène a la forme d’un triangle équilatéral, dans lequel les charges sont parfaitement équilibrées. Pan et Oka avaient démontré que la rotation étire légèrement ce triangle sous l’effet de la force centrifuge : la symétrie est alors rompue, un dipôle minuscule apparaît et la molécule peut émettre une lumière très faible.
Le cation trihydrogène est une molécule extrêmement importante pour l’astrochimie, car elle est à la base de la plupart des réactions chimiques du gaz interstellaire. Elle est aussi présente dans la haute atmosphère de Jupiter et dans celle des trois autres planètes géantes du Système solaire. Les planétologues utilisent ses émissions depuis plus de trente ans, notamment pour étudier leurs aurores.
James Webb l’avait d’ailleurs identifiée dans les aurores de Neptune, selon une étude publiée en 2025, et il vient encore une fois de capter sa lumière, mais sous une forme que les instruments n’avaient pas encore enregistrée : celle que produit la rotation de la molécule, calculée quarante ans plus tôt par Pan et Oka. David Neufeld, astrophysicien à l’Université Johns Hopkins, et ses collègues y ont reconnu ce rayonnement, aux longueurs d’onde exactes annoncées par les deux chercheurs. Leurs travaux, mis en ligne le 6 novembre sur la plateforme arXiv, ont été acceptés par la revue The Astrophysical Journal Letters.
Un vieux calcul de 1986 confirmé aux abords d’une étoile naissante
Neufeld et son équipe ont détecté le signal dans une nébuleuse, appelée HH 168 : un amas de gaz très lumineux, classé parmi les objets HH ou objets Herbig-Haro, du nom des deux chercheurs qui les ont décrits. Située dans Cepheus A, une région de la Voie lactée où se forment des étoiles massives, à quelques milliers d’années-lumière de la Terre, elle doit son éclat aux jets de matière qu’une étoile en formation éjecte à plusieurs centaines de km/s : en percutant le nuage environnant, ces jets créent des ondes de choc qui portent le gaz à plusieurs milliers de degrés.
Les chercheurs ont analysé la lumière de ce gaz avec MIRI (Mid-Infrared Instrument), l’instrument de James Webb consacré à l’infrarouge moyen. Ils l’ont décomposée en un spectre (un relevé de son intensité à chaque longueur d’onde) et y ont repéré 26 raies, des pics très étroits dont la position dépend de la molécule qui les émet. Toutes se situent aux longueurs d’onde calculées pour la rotation du cation trihydrogène, mais ils devaient tout de même s’assurer que ces pics n’étaient pas dus au hasard.
En physique, la fiabilité d’un signal s’exprime en sigma (σ), une unité qui indique à quel point il se détache des fluctuations aléatoires de la mesure : à 5 sigma, la probabilité d’une fausse alerte tombe à une sur plusieurs millions, seuil à partir duquel une découverte est considérée comme acquise. La raie la plus nette relevée au sein de la nébuleuse HH 168 le dépasse très largement, puisqu’elle atteint 72 sigma. Ces raies y apparaissent, en outre, dans les données d’une seconde nébuleuse de Herbig-Haro, HH 211, que James Webb avait observée auparavant, ce qui écarte un défaut propre à une seule observation.
Les chercheurs ont ensuite voulu savoir quelle partie de la nébuleuse émettait cette lumière. Pour ce faire, ils l’ont comparée à celle du dihydrogène (H2), le principal constituant du gaz, qui rayonne lui aussi lorsque les chocs le font monter en température. Les deux émissions proviennent des mêmes zones et se déplacent à la même vitesse, ce qui indique que la lumière du cation trihydrogène provient effectivement du gaz moléculaire chauffé par les chocs, et non du gaz ionisé (celui dont les atomes ont perdu des électrons) présent dans la même région.
Désormais, les astronomes disposent, grâce à James Webb, d’un nouveau moyen d’observer le cation trihydrogène dans les régions où se forment les étoiles. En appliquant la même méthode que Neufeld et son équipe, ils pourront ainsi étudier deux phénomènes à la fois : la physique des chocs produits par les étoiles naissantes et les réactions chimiques que ces chocs déclenchent. En quoi est-ce important ? Parce qu’ils sont déterminants dans la composition des nuages où naissent les étoiles, mais aussi les planètes et que le cation trihydrogène est le déclencheur de nombreuses réactions chimiques, englobant également celles formant des molécules organiques et de l’eau.