Une équipe de scientifiques utilisant l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) pour étudier la jeune étoile Elias 2-27 a confirmé que les instabilités gravitationnelles jouent un rôle clé dans la formation des planètes, et ont pour la première fois mesuré directement la masse des disques protoplanétaires à l'aide des données de vitesse du gaz, potentiellement débloquer l'un des mystères de la formation des planètes. Les résultats de la recherche sont publiés aujourd'hui dans deux articles dans The Journal d'astrophysique .

Les disques protoplanétaires – des disques formant des planètes faits de gaz et de poussière qui entourent les jeunes étoiles nouvellement formées – sont connus des scientifiques comme le lieu de naissance des planètes. Le processus exact de formation des planètes, cependant, est resté un mystère. La nouvelle recherche, dirigé par Teresa Paneque-Carreño, récemment diplômée de l'Université du Chili et titulaire d'un doctorat. étudiant à l'Université de Leyde et à l'Observatoire européen austral, et l'auteur principal du premier des deux articles, se concentre sur la découverte du mystère de la formation des planètes.

Lors des observations, les scientifiques ont confirmé que le système stellaire Elias 2-27 - une jeune étoile située à moins de 400 années-lumière de la Terre dans la constellation d'Ophiuchus - présentait des preuves d'instabilités gravitationnelles qui se produisent lorsque les disques formant des planètes transportent une grande partie de l'étoile du système Masse. "Comment se forment exactement les planètes est l'une des principales questions dans notre domaine. Cependant, il existe certains mécanismes clés qui, selon nous, peuvent accélérer le processus de formation de la planète, " a déclaré Paneque-Carreño. "Nous avons trouvé des preuves directes d'instabilités gravitationnelles dans Elias 2-27, ce qui est très excitant car c'est la première fois que nous pouvons montrer la preuve cinématique et multi-longueurs d'onde d'un système gravitationnellement instable. Elias 2-27 est le premier système qui vérifie toutes les cases."

Les caractéristiques uniques d'Elias 2-27 l'ont rendu populaire auprès des scientifiques d'ALMA pendant plus d'une demi-décennie. En 2016, une équipe de scientifiques utilisant ALMA a découvert un moulinet de poussière tourbillonnant autour de la jeune étoile. On croyait que les spirales étaient le résultat d'ondes de densité, communément connu pour produire les bras reconnaissables des galaxies spirales - comme la Voie lactée - mais à l'époque, n'avait jamais été vu auparavant autour d'étoiles individuelles.

"Nous avons découvert en 2016 que le disque Elias 2-27 avait une structure différente des autres systèmes déjà étudiés, quelque chose qui n'avait pas encore été observé dans un disque protoplanétaire :deux bras spiraux à grande échelle. Les instabilités gravitationnelles étaient une forte possibilité, mais l'origine de ces structures restait un mystère et nous avions besoin d'autres observations, " a déclaré Laura Pérez, Professeur assistant à l'Université du Chili et chercheur principal de l'étude de 2016. En collaboration avec des collaborateurs, elle a proposé d'autres observations dans plusieurs bandes ALMA qui ont été analysées avec Paneque-Carreño dans le cadre de son M.Sc. thèse à l'Université du Chili.

En plus de confirmer les instabilités gravitationnelles, les scientifiques ont trouvé des perturbations - ou des perturbations - dans le système stellaire au-delà des attentes théoriques. "Il peut encore y avoir du nouveau matériau du nuage moléculaire environnant tombant sur le disque, ce qui rend tout plus chaotique, " dit Panèque-Carreño, ajoutant que ce chaos a contribué à des phénomènes intéressants qui n'ont jamais été observés auparavant, et pour laquelle les scientifiques n'ont pas d'explication claire. "Le système stellaire Elias 2-27 est très asymétrique dans la structure du gaz. C'était complètement inattendu, et c'est la première fois que nous observons une telle asymétrie verticale dans un disque protoplanétaire."

Salle Cassandre, Professeur assistant d'astrophysique computationnelle à l'Université de Géorgie, et co-auteur de la recherche, a ajouté que la confirmation à la fois de l'asymétrie verticale et des perturbations de la vitesse - les premières perturbations à grande échelle liées à la structure en spirale dans un disque protoplanétaire - pourrait avoir des implications importantes pour la théorie de la formation des planètes. "Cela pourrait être un "fusil fumant" d'instabilité gravitationnelle, ce qui pourrait accélérer certaines des premières étapes de la formation des planètes. Nous avons d'abord prédit cette signature en 2020, et du point de vue de l'astrophysique computationnelle, c'est excitant d'avoir raison."

Paneque-Carreño a ajouté que bien que la nouvelle recherche ait confirmé certaines théories, elle a également soulevé de nouvelles questions. "Alors que les instabilités gravitationnelles peuvent maintenant être confirmées pour expliquer les structures en spirale dans le continuum de poussière entourant l'étoile, il y a aussi un espace intérieur, ou du matériel manquant dans le disque, pour laquelle nous n'avons pas d'explication claire."

L'un des obstacles à la compréhension de la formation des planètes était le manque de mesure directe de la masse des disques formant les planètes, un problème abordé dans la nouvelle recherche. La haute sensibilité de l'ALMA Band 6, jumelé avec les bandes 3 et 7, a permis à l'équipe d'étudier de plus près les processus dynamiques, densité, et même la masse du disque. "Les mesures précédentes de la masse du disque protoplanétaire étaient indirectes et basées uniquement sur la poussière ou des isotopologues rares. Avec cette nouvelle étude, nous sommes maintenant sensibles à toute la masse du disque, " a déclaré Benedetta Veronesi, étudiante diplômée de l'Université de Milan et chercheuse postdoctorale à l'École normale supérieure de Lyon, et l'auteur principal sur le deuxième article. "Cette découverte jette les bases du développement d'une méthode de mesure de la masse des disques qui nous permettra de briser l'une des barrières les plus importantes et les plus urgentes dans le domaine de la formation des planètes. Connaître la quantité de masse présente dans les disques formant des planètes permet nous pour déterminer la quantité de matière disponible pour la formation des systèmes planétaires, et de mieux comprendre le processus par lequel ils se forment."

Bien que l'équipe ait répondu à un certain nombre de questions clés sur le rôle de l'instabilité gravitationnelle et de la masse du disque dans la formation des planètes, le travail n'est pas encore fait. "Étudier comment les planètes se forment est difficile car il faut des millions d'années pour former des planètes. C'est une échelle de temps très courte pour les étoiles, qui vivent des milliers de millions d'années, mais un très long processus pour nous, " a déclaré Paneque-Carreño. " Ce que nous pouvons faire, c'est observer de jeunes étoiles, avec des disques de gaz et de poussière autour d'eux, et essayez d'expliquer pourquoi ces disques de matériel ressemblent à ce qu'ils sont. C'est comme regarder une scène de crime et essayer de deviner ce qui s'est passé. Notre analyse observationnelle couplée à une future analyse approfondie d'Elias 2-27 nous permettra de caractériser exactement comment les instabilités gravitationnelles agissent dans les disques formant des planètes, et mieux comprendre comment les planètes se forment."