James-Webb révèle les secrets des buckminsterfullerènes dans une nébuleuse à 10 000 années-lumière

Le télescope spatial James-Webb a capturé une image inédite de la nébuleuse planétaire Tc 1, située à plus de 10 000 années-lumière de la Terre, dans la constellation de l’Autel. Selon Futura Sciences, ces observations confirment la présence de molécules carbonées en forme de ballon de football, les buckminsterfullerènes, dont l’existence dans l’espace était suspectée depuis des décennies. Ces structures, baptisées « buckyballs » en raison de leur géométrie rappelant les dômes de l’architecte Richard Buckminster Fuller, pourraient éclairer les mécanismes de formation des étoiles et des molécules organiques dans l’Univers.

Des molécules prédites avant d’être observées dans l’espace

Les buckminsterfullerènes, de formule chimique C60, comptent soixante atomes de carbone agencés en hexagones et pentagones, formant une sphère creuse. Leur existence avait été prédite dès 1970 par le chimiste japonais Eiji Osawa, mais c’est en 1985 que leur synthèse en laboratoire a été réalisée par l’équipe de Harry Kroto. Selon Futura Sciences, ces molécules avaient été imaginées comme pouvant se former dans les atmosphères des étoiles carbonées, une hypothèse confirmée plus tard par des observations spectroscopiques.

Les travaux de Kroto, menés en collaboration avec Richard Smalley et Robert Curl, avaient permis de reproduire en laboratoire les conditions extrêmes des enveloppes stellaires. Leur découverte, publiée dans la revue Nature en 1985, leur a valu le prix Nobel de chimie en 1996. « Nous pensions que ces molécules devaient exister dans l’espace, mais il a fallu attendre 2010 pour en obtenir la preuve », rappelle l’astronome Jan Cami, de l’Institut Seti, qui avait identifié pour la première fois des buckyballs dans la nébuleuse Tc 1 grâce au télescope Spitzer.

Tc 1, une nébuleuse sous le microscope du James-Webb

La nébuleuse planétaire Tc 1, située à plus de 10 000 années-lumière, est le vestige d’une étoile ayant épuisé son carburant nucléaire avant d’éjecter ses couches externes. Le cœur stellaire restant, une naine blanche, irradie son environnement de rayonnements ultraviolets, faisant briller les gaz expulsés. Grâce à l’instrument Miri du JWST, les astronomes disposent désormais d’images détaillées et de données spectroscopiques inédites.

L’image, rendue publique par la Nasa, combine neuf filtres couvrant des longueurs d’onde allant de 5,6 à 25,5 microns, bien au-delà de la perception humaine. Les tons bleus révèlent les zones les plus chaudes, tandis que les rouges indiquent des températures plus basses. « Nous voyions déjà des fullerènes dans Tc 1, mais le JWST nous a permis de découvrir des structures bien plus complexes », explique Jan Cami, professeur à l’Université Western Ontario. Les données révèlent des filaments vaporeux et des coquilles de gaz scintillantes, offrant un aperçu sans précédent des processus chimiques à l’œuvre.

Un pas vers la compréhension de la chimie du carbone

Les buckminsterfullerènes intéressent les scientifiques pour plusieurs raisons. Sur Terre, ces molécules sont étudiées pour leurs propriétés en nanotechnologie, comme le stockage de l’hydrogène ou la création de matériaux supraconducteurs. Dans l’espace, elles pourraient jouer un rôle dans la formation des molécules organiques complexes, voire dans l’origine de la vie.

« Leur découverte dans Tc 1 a bouleversé notre compréhension de la chimie spatiale », souligne Dries Van De Putte, chercheur postdoctoral à l’Université Western. « Nous ignorons encore si ces fullerènes se forment de la même manière que sur Terre ou par des processus inédits. Ces observations pourraient nous éclairer sur l’évolution des matières organiques dans des environnements extrêmes. »

Les données recueillies par le JWST incluent des signatures chimiques détaillées, permettant d’identifier la répartition des molécules dans la nébuleuse. Els Peeters, collègue de Jan Cami, précise : « Les fullerènes brillent intensément dans l’infrarouge, un phénomène que nous commençons tout juste à expliquer après quinze ans de recherches. Ces résultats ouvrent la voie à des années d’analyses. »

« Tc 1 était déjà extraordinaire, car c’est cet objet qui nous a révélé l’existence des fullerènes dans l’espace. Mais cette nouvelle image montre que nous n’avions fait qu’effleurer le sujet. Les structures que nous observons maintenant sont époustouflantes et soulèvent autant de questions qu’elles apportent de réponses. »
— Jan Cami, Université Western Ontario

Les fullerènes, une clé pour l’astrophysique et l’exobiologie

Les fullerènes ne sont pas les seules molécules carbonées à intriguer les chercheurs. D’autres structures, comme les fullerènes C70 ou les nanotubes, ont été détectées dans l’espace ou dans des météorites. Leur étude pourrait aider à résoudre des énigmes de l’astrophysique, comme l’origine des signaux infrarouges mystérieux observés dans certaines nébuleuses.

Les astronomes envisagent désormais d’étendre leurs recherches à d’autres nébuleuses planétaires similaires à Tc 1. « Nous voulons savoir si ces fullerènes sont ubiquitaires ou s’ils se forment uniquement dans des conditions spécifiques », explique Dries Van De Putte. Ces molécules pourraient aussi servir de « laboratoires naturels » pour tester des théories sur la formation des systèmes planétaires.

Ces découvertes rappellent que les molécules comme les buckminsterfullerènes, bien que découvertes en laboratoire, jouent un rôle clé dans l’évolution cosmique. Comme le souligne Harry Kroto dans ses travaux : « Les buckyballs existent depuis des temps immémoriaux dans les recoins les plus sombres de notre Galaxie. » Leur étude pourrait un jour éclairer non seulement l’histoire des étoiles, mais aussi celle de la vie elle-même.