Les astronomes ont développé le modèle le plus réaliste à ce jour de la formation des planètes dans les systèmes d'étoiles binaires.

Les chercheurs, de l'Université de Cambridge et du Max Planck Institute for Extra-terrestrial Physics, ont montré comment les exoplanètes des systèmes stellaires binaires, telles que les planètes «Tatooine» repérées par le télescope spatial Kepler de la NASA, ont vu le jour sans être détruites dans leur environnement de naissance chaotique.

Ils ont étudié un type de système binaire dans lequel la plus petite étoile compagne orbite autour de la plus grande étoile parente environ une fois tous les 100 ans, notre plus proche voisine, Alpha Centauri, est un exemple d'un tel système.

"Un système comme celui-ci serait l'équivalent d'un deuxième Soleil où se trouve Uranus, ce qui aurait rendu notre propre système solaire très différent, " a déclaré le co-auteur, le Dr Roman Rafikov du département de mathématiques appliquées et de physique théorique de Cambridge, qui est également membre de l'Institute for Advanced Study de Princeton, New Jersey.

Rafikov et son co-auteur, le Dr Kedron Silsbee de l'Institut Max Planck de physique extraterrestre ont découvert que pour que les planètes se forment dans ces systèmes, les planétésimaux - des blocs de construction planétaires qui orbitent autour d'une jeune étoile - doivent commencer au moins 10 kilomètres de diamètre, et le disque de poussière, de glace et de gaz entourant l'étoile dans laquelle se forment les planètes doit être relativement circulaire.

La recherche, qui est publié dans Astronomie et astrophysique , amène l'étude de la formation des planètes dans les binaires à un nouveau niveau de réalisme et explique comment de telles planètes, dont un certain nombre ont été détectés, aurait pu se former.

On pense que la formation des planètes commence dans un disque protoplanétaire composé principalement d'hydrogène, hélium, et de minuscules particules de glace et de poussière en orbite autour d'une jeune étoile. Selon la théorie dominante actuelle sur la formation des planètes, connu sous le nom d'accrétion de noyau, les particules de poussière se collent les unes aux autres, formant finalement des corps solides de plus en plus gros. Si le processus s'arrête prématurément, le résultat peut être une planète rocheuse semblable à la Terre. Si la planète devient plus grosse que la Terre, alors sa gravité est suffisante pour piéger une grande quantité de gaz du disque, conduisant à la formation d'une géante gazeuse comme Jupiter.

"Cette théorie a du sens pour les systèmes planétaires formés autour d'une seule étoile, mais la formation des planètes dans les systèmes binaires est plus compliquée, parce que l'étoile compagne agit comme un batteur à oeufs géant, excitant dynamiquement le disque protoplanétaire, ", a déclaré Rafikov.

"Dans un système avec une seule étoile, les particules dans le disque se déplacent à de faibles vitesses, donc ils se collent facilement quand ils entrent en collision, leur permettre de grandir, " dit Silsbee. " Mais à cause de l'effet gravitationnel " batteur d'oeufs " de l'étoile compagnon dans un système binaire, les particules solides y entrent en collision à une vitesse beaucoup plus élevée. Donc, quand ils se heurtent, ils se détruisent les uns les autres."

De nombreuses exoplanètes ont été repérées dans des systèmes binaires, donc la question est de savoir comment ils sont arrivés là. Certains astronomes ont même suggéré que ces planètes flottaient peut-être dans l'espace interstellaire et avaient été aspirées par la gravité d'un binaire, par exemple.

Rafikov et Silsbee ont effectué une série de simulations pour aider à résoudre ce mystère. Ils ont développé un modèle mathématique détaillé de la croissance planétaire dans un binaire qui utilise des entrées physiques réalistes et tient compte des processus qui sont souvent négligés, comme l'effet gravitationnel du disque de gaz sur le mouvement des planétésimaux à l'intérieur.

"Le disque est connu pour affecter directement les planétésimaux par la traînée de gaz, agissant comme une sorte de vent, " dit Silsbee. " Il y a quelques années, nous avons réalisé qu'en plus de la traînée du gaz, la gravité du disque lui-même modifie considérablement la dynamique des planétésimaux, dans certains cas, permettant aux planètes de se former malgré les perturbations gravitationnelles dues au compagnon stellaire."

"Le modèle que nous avons construit rassemble ce travail, ainsi que d'autres travaux antérieurs, tester les théories de la formation des planètes, ", a déclaré Rafikov.

Leur modèle a révélé que les planètes peuvent se former dans des systèmes binaires tels que Alpha Centauri, à condition que les planétésimaux commencent au moins 10 kilomètres de diamètre, et que le disque protoplanétaire lui-même est proche de la circulaire, sans irrégularités majeures. Lorsque ces conditions sont remplies, les planétésimaux dans certaines parties du disque finissent par se déplacer assez lentement les uns par rapport aux autres pour se coller les uns aux autres au lieu de se détruire.

Ces découvertes soutiennent un mécanisme particulier de formation planétésimale, appelé l'instabilité du streaming, faisant partie intégrante du processus de formation de la planète. Cette instabilité est un effet collectif, impliquant de nombreuses particules solides en présence de gaz, qui est capable de concentrer des grains de poussière de la taille d'un caillou à un rocher pour produire quelques gros planétésimaux, qui survivrait à la plupart des collisions.

Les résultats de ce travail fournissent des informations importantes pour les théories de la formation des planètes autour des étoiles binaires et uniques, ainsi que pour les simulations hydrodynamiques de disques protoplanétaires en binaire. In future, the model could also be used to explain the origin of the 'Tatooine' planets—exoplanets orbiting both components of a binary—about a dozen of which have been identified by NASA's Kepler Space Telescope.