DU MÉTHANOL LOURD, ENFIN TROUVÉ DANS L'ESPACE

Le deutérium est l’isotope lourd de l’hydrogène. Dans notre galaxie, on compte environ 1,6 atome de deutérium pour 100 000 atomes d’hydrogène. Pourtant, dans les cœurs froids et denses des nuages moléculaires, là où naissent les étoiles, les molécules contenant du deutérium peuvent être des ordres de grandeur plus abondantes que ce rapport ne le laisse prévoir. À ces basses températures, quelques réactions clés font passer peu à peu le deutérium dans les molécules, et l’effet s’amplifie avec le temps. La quantité de deutérium d’une molécule peut donc indiquer quand et où elle s’est formée.

La plus courante des molécules complexes

Le méthanol (CH₃OH) est la plus abondante des « molécules organiques complexes » — des molécules carbonées d’au moins six atomes — dans les régions de formation d’étoiles. Il se forme surtout dans les manteaux de glace des grains de poussière pendant la phase froide qui précède l’allumage d’une étoile, et c’est un tremplin vers des molécules plus complexes.

Le méthanol compte quatre atomes d’hydrogène : trois du côté du carbone, un du côté de l’oxygène. Des versions portant un, deux ou trois atomes de deutérium côté carbone avaient déjà été détectées dans l’espace. La forme entièrement deutérée, CD₃OD, où les quatre sont du deutérium, n’avait fait l’objet que d’indices. Les prédictions de laboratoire de sa signature radio existent depuis 2023.

Dix raies venues d’IRAS4A2

A. Belloche, de l’Institut Max-Planck de radioastronomie à Bonn, et des collègues d’Europe, des États-Unis et d’Asie ont utilisé COMPASS, un grand relevé du réseau de radiotélescopes ALMA portant sur onze jeunes étoiles de faible masse dotées de « hot corinos » — des zones chaudes et compactes où les molécules des glaces s’évaporent et brillent en ondes radio. Ils se sont concentrés sur IRAS4A2, l’une des deux étoiles d’un couple dans le nuage NGC 1333, à 290 parsecs. C’est aussi là que l’ammoniac entièrement deutéré a été identifié pour la première fois autour d’une jeune étoile.

En balayant les fréquences de 279 à 312 gigahertz, l’équipe a modélisé l’émission du méthanol et de toutes ses variantes à une température d’environ 200 kelvins. Toutes les variantes du méthanol dont l’empreinte radio est publique sont apparues. Parmi elles : CD₃OD, avec dix raies nettement détectées. C’est la première détection solide de méthanol entièrement deutéré dans l’espace — et, notent les auteurs, la première identification d’une molécule portant quatre atomes de deutérium dans le milieu interstellaire. Il représente environ 4 parts pour 10 000 du méthanol présent.

Un méthanol qui se cache

Une énigme est venue avec. Comparé à ses versions rares au carbone 13 et à l’oxygène 18, le méthanol ordinaire paraissait bien trop rare — 7 à 11 fois trop peu environ — alors que les versions rares concordaient entre elles. Les auteurs en concluent que la quantité de méthanol ordinaire est probablement sous-estimée, peut-être parce que son émission vient de grumeaux plutôt que d’un nuage homogène. Ils ont donc pris les versions rares comme substituts pour calculer les rapports de deutérium.

Le deutérium s’accumule au-delà du hasard

Si le deutérium remplaçait l’hydrogène au hasard avec une probabilité fixe, chaque variante désignerait le même rapport deutérium/hydrogène. Or le rapport déduit grimpe avec le nombre d’atomes de deutérium : environ 1 % pour les formes une fois deutérées, 9 à 23 % pour les formes deux et trois fois deutérées, et environ 41 % quand on compare CD₃OD à CH₃OD. Le schéma d’IRAS4A2 est presque identique à celui d’une autre jeune étoile, BHR71-IRS1, et ressemble à celui d’autres protoétoiles de faible masse.

Les modèles ratent les formes lourdes

L’équipe a comparé ces rapports à cinq modèles chimiques publiés décrivant la formation du méthanol et de ses formes deutérées. Tous sous-estiment les formes multiplement deutérées, en général d’un à deux ordres de grandeur — et, pour CD₃OD dans l’un des modèles, d’environ cinq ordres de grandeur. Verdict des auteurs : il manque aux modèles actuels un ingrédient clé qui favorise le méthanol fortement deutéré.

La détection livre aussi une prédiction. Deux variantes restantes, CH₂DOD et CHD₂OD, devraient être faciles à repérer dans IRAS4A2 dès que les spectroscopistes de laboratoire fourniront leurs signatures radio. Un regard plus fin, à plus haute résolution angulaire, pourrait aussi montrer si le méthanol se trouve vraiment en grumeaux.