Les jeunes planètes géantes naissent du gaz et de la poussière. Des chercheurs de l'ETH Zürich et des universités de Zürich et de Berne ont simulé différents scénarios en s'appuyant sur la puissance de calcul du Centre national suisse de calcul intensif (CSCS) pour découvrir comment ils se forment et évoluent exactement. Ils ont comparé leurs résultats avec des observations et ont pu montrer entre autres une grande différence entre les mécanismes de formation postulés.

Les astronomes ont mis en place deux théories expliquant comment des planètes géantes gazeuses comme Jupiter ou Saturne pourraient naître. Un mécanisme de formation ascendant stipule que d'abord, un noyau solide est agrégé d'environ dix fois la taille de la Terre. "Puis, ce noyau est suffisamment massif pour attirer une quantité importante de gaz et la garder, " explique Judit Szulágyi, post-doctorant à l'ETH Zürich et membre du PRN PlanetS suisse. La deuxième théorie est un scénario de formation descendante :ici, le disque gazeux autour de la jeune étoile est si massif, qu'en raison de l'auto-gravité de la poussière de gaz, des bras en spirale se forment avec des touffes à l'intérieur. Puis, ces amas s'effondrent par leur propre gravité directement dans une planète gazeuse, semblable à la façon dont les étoiles se forment. Le premier mécanisme est appelé « core-accrétion, " le second " instabilité du disque ". Dans les deux cas, un disque se forme autour des géantes gazeuses, appelé le disque circumplanétaire, qui servira de nid de naissance pour que les satellites se forment.

Pour savoir quel mécanisme a réellement lieu dans l'Univers, Judit Szulágyi et Lucio Mayer, Professeur à l'Université de Zurich, simulé les scénarios sur le supercalculateur Piz Daint au Centre national suisse de calcul intensif (CSCS) à Lugano. "Nous avons poussé nos simulations jusqu'aux limites en termes de complexité de la physique ajoutée aux modèles, " explique Judit Szulágyi :" Et nous avons atteint une résolution plus élevée que quiconque auparavant. "

Dans leurs études publiées dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society , les chercheurs ont trouvé une grande différence entre les deux mécanismes de formation :dans le scénario d'instabilité du disque, le gaz au voisinage de la planète est resté très froid, environ 50 Kelvins, alors que dans le cas de l'accrétion du noyau, le disque circumplanétaire a été chauffé à plusieurs centaines de Kelvins. "Les simulations d'instabilité de disque sont les premières qui peuvent résoudre le disque circumplanétaire autour de plusieurs protoplanètes, utilisant des dizaines de millions d'éléments de résolution dans le domaine de calcul. Nous avons exploité Piz Daint pour accélérer les calculs à l'aide d'unités de traitement graphique (GPU), " ajoute Mayer.

Cette énorme différence de température est facilement observable. "Lorsque les astronomes examinent de nouveaux systèmes planétaires en formation, il suffira de mesurer les températures à proximité de la planète pour dire quel mécanisme de formation a construit la planète donnée, " explique Judit Szulágyi. Une première comparaison des données calculées et observées semble favoriser la théorie de l'accrétion du noyau. Une autre différence qui était attendue n'apparaissait pas dans la simulation informatique. Avant, l'astrophysique pensait que le disque circumplanétaire différait significativement en masse dans les deux scénarios de formation. "Nous avons montré que ce n'est pas vrai, " dit le membre de PlanetS.

Front de choc lumineux détecté

Concernant la taille de la nouvelle planète née, les observations peuvent être trompeuses car l'astrophysicien a trouvé dans une deuxième étude avec Christoph Mordasini, Professeur à l'Université de Berne. Dans le modèle d'accrétion du noyau, les chercheurs ont examiné de plus près le disque autour des planètes avec des masses trois à dix fois plus grandes que celles de Jupiter. Les simulations informatiques ont montré que le gaz tombant sur le disque depuis l'extérieur s'échauffe et crée un front de choc très lumineux sur la couche supérieure du disque. Cela modifie considérablement l'apparence d'observation des jeunes, formant des planètes.

"Quand nous voyons une tache lumineuse à l'intérieur d'un disque circumplanétaire, nous ne pouvons pas être sûrs de voir la luminosité de la planète, ou encore la luminosité du disque environnant, ", explique Judit Szulágyi. Cela peut conduire à une surestimation de la masse de la planète jusqu'à quatre fois. "Alors peut-être qu'une planète observée n'a que la même masse que Saturne au lieu de certaines masses de Jupiter, " conclut le scientifique.

Dans leurs simulations, les astrophysiciens ont mimé les processus de formation en utilisant les lois physiques de base telles que la gravité ou les équations hydrodynamiques du gaz. En raison de la complexité des modèles physiques, les simulations prenaient beaucoup de temps, même sur le supercalculateur le plus rapide d'Europe au CSCS :« De l'ordre de neuf mois de fonctionnement sur des centaines à plusieurs milliers de cœurs de calcul », estime Judit Szulágyi :« Cela signifie que sur un seul cœur de calcul, cela aurait pris plus de temps que ma vie entière.

Pourtant, il y a encore des défis à relever. Les simulations d'instabilité de disque ne couvrent toujours pas une longue échelle de temps. Il est possible qu'après que la protoplanète se soit effondrée à la densité de Jupiter, son disque se réchauffe davantage comme lors de l'accrétion du noyau. De même, le gaz plus chaud trouvé dans le cas d'accrétion du cœur serait partiellement ionisé, un environnement favorable aux effets des champs magnétiques, complètement négligé jusqu'à présent. Exécuter des simulations encore plus coûteuses avec une description plus riche de la physique sera la prochaine étape.