Une équipe de chercheurs du MIT a découvert qu’un nuage interstellaire lointain contient une grande quantité de pyrène, une grosse molécule carbonée connue sous le nom d’hydrocarbure aromatique polycyclique (HAP).
La présence de pyrène dans ce nuage, similaire à celui qui a formé notre système solaire, suggère que cette molécule pourrait être à l’origine de beaucoup de carbone dans notre système solaire. Cette hypothèse est renforcée par la découverte de pyrène dans des échantillons de l’astéroïde Ryugu.
« Une des grandes questions sur la formation des étoiles et des planètes est de savoir quelle partie de la chimie de ce nuage moléculaire initial est héritée et forme les composants de base du système solaire. Nous observons le début et la fin, et ils montrent la même chose. C’est une preuve solide que cette matière des premiers nuages moléculaires se retrouve dans la glace, la poussière et les corps rocheux de notre système solaire », explique Brett McGuire, professeur adjoint de chimie au MIT.
En raison de sa symétrie, le pyrène lui-même est indétectable par les techniques de radioastronomie. Les chercheurs ont plutôt identifié un isomère du cyanopyrène, une version du pyrène qui a réagi avec le cyanure pour briser sa symétrie. Cette molécule a été détectée dans le nuage TMC-1 grâce au Green Bank Telescope (GBT) de 100 mètres en Virginie occidentale.
McGuire et Ilsa Cooke, professeur adjoint de chimie à l’Université de la Colombie-Britannique, sont les auteurs principaux d’un article sur ces résultats, publié aujourd’hui dans Science. Gabi Wenzel, postdoctorante au MIT, est l’auteur principal de l’étude.
Le carbone dans l’espace
Les HAP, qui contiennent des anneaux d’atomes de carbone fusionnés, sont censés stocker 10 à 25 % du carbone dans l’espace. Depuis plus de 40 ans, des caractéristiques associées aux HAP ont été détectées avec des télescopes infrarouges, mais cette méthode ne permettait pas d’identifier précisément les HAP présents.
« Depuis les années 1980, on a accepté que les HAP soient présents dans l’espace et qu’ils aient été trouvés dans des météorites, des comètes et des astéroïdes, mais la spectroscopie infrarouge ne permet pas d’identifier clairement les HAP individuels dans l’espace », explique Wenzel.
En 2018, une équipe dirigée par McGuire a découvert le benzonitrile dans le TMC-1, et en 2021, ils ont détecté les premiers HAP individuels dans l’espace. Sur Terre, les HAP sont souvent des sous-produits de la combustion de combustibles fossiles et se trouvent dans les traces de charbon sur les aliments grillés. Leur présence dans TMC-1, à environ 10 kelvins, suggère qu’ils peuvent se former à des températures très basses.
La découverte de HAP dans des météorites, des astéroïdes et des comètes a conduit à l’hypothèse qu’ils sont à l’origine d’une grande partie du carbone de notre système solaire. En 2023, des chercheurs japonais ont trouvé de grandes quantités de pyrène dans l’astéroïde Ryugu.
Cette découverte a poussé McGuire et ses collègues à rechercher du pyrène dans TMC-1. Le pyrène, avec ses quatre anneaux, est plus grand que tous les autres HAP détectés dans l’espace, et c’est la plus grosse molécule jamais détectée par radioastronomie.
Avant de chercher ces molécules dans l’espace, les chercheurs ont synthétisé du cyanopyrène en laboratoire. Le groupe cyano ou nitrile est nécessaire pour que la molécule émette un signal détectable par un radiotélescope. La synthèse a été réalisée par Shuo Zhang, postdoctorant au MIT.
Les chercheurs ont ensuite analysé les signaux émis par les molécules en laboratoire, identiques à ceux qu’elles émettent dans l’espace.
En utilisant le GBT, ils ont trouvé ces signatures dans TMC-1. Ils ont découvert que le cyanopyrène représente environ 0,1 % de tout le carbone dans le nuage, un chiffre significatif compte tenu des milliers de molécules carbonées différentes dans l’espace, explique McGuire.
« Même si 0,1 % semble faible, la majeure partie du carbone est dans le monoxyde de carbone (CO), la deuxième molécule la plus abondante après l’hydrogène moléculaire. Si on met de côté le CO, un atome de carbone sur quelques centaines est dans le pyrène. C’est une abondance massive. Un puits de carbone presque incroyable. C’est un îlot interstellaire de stabilité.
Ewine van Dishoeck, professeur d’astrophysique moléculaire à l’Observatoire de Leiden, a qualifié la découverte de « inattendue et passionnante ».
« Cela s’appuie sur leurs découvertes antérieures de molécules aromatiques plus petites, mais passer maintenant à la famille des pyrènes est énorme. Non seulement cela démontre qu’une fraction importante du carbone est enfermée dans ces molécules, mais cela indique également des voies de formation d’aromatiques différentes de celles envisagées jusqu’à présent », explique van Dishoeck, qui n’a pas participé à la recherche.
Une abondance de pyrène
Les nuages interstellaires comme TMC-1 pourraient donner naissance à des étoiles, à mesure que la poussière et le gaz fusionnent en corps plus gros et commencent à se réchauffer. Les planètes, astéroïdes et comètes proviennent de ces gaz et poussières autour des jeunes étoiles. Bien que les scientifiques ne puissent pas revenir en arrière sur le nuage qui a donné naissance à notre système solaire, la découverte de pyrène dans TMC-1 et sur Ryugu suggère qu’il pourrait être à l’origine de beaucoup de carbone de notre système solaire.
« Nous avons maintenant, j’oserais le dire, la preuve la plus solide jamais vue de cet héritage moléculaire direct depuis le nuage froid jusqu’aux roches réelles du système solaire », déclare McGuire.
Les chercheurs prévoient de rechercher des HAP encore plus gros dans TMC-1. Ils espèrent également déterminer si le pyrène de TMC-1 s’est formé dans le nuage froid ou s’il provient d’ailleurs dans l’univers, peut-être des processus de combustion autour des étoiles mourantes.
La recherche a été financée par un prix de jeune chercheur de la Fondation Beckman, la Schmidt Family Futures Foundation, la National Science Foundation des États-Unis, le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, le Goddard Center for Astrobiology et le programme de financement interne de la Division des sciences planétaires de la NASA.
