Une image d'un disque protoplanétaire, réalisé à partir des résultats du nouveau modèle, après la formation d'un piège à poussière spontané, visible comme un anneau de poussière brillant. Le gaz est représenté en bleu et la poussière en rouge. Crédit :Jean-François Gonzalez
On pense que les planètes se forment dans les disques de poussière et de gaz trouvés autour des jeunes étoiles. Mais les astronomes ont eu du mal à assembler une théorie complète de leur origine qui explique comment la poussière initiale se développe en systèmes planétaires. Une équipe franco-britannique-australienne pense désormais avoir la réponse, avec leurs simulations montrant la formation de « pièges à poussière » où des fragments de la taille de galets se rassemblent et se collent, pour devenir les éléments constitutifs des planètes. Ils publient leurs résultats dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Society .
Notre système solaire, et d'autres systèmes planétaires, a commencé sa vie avec des disques de gaz et des grains de poussière autour d'une jeune étoile. Les processus qui convertissent ces minuscules grains, chacun quelques millionièmes de mètre (un micron) de diamètre, en agrégats de quelques centimètres, et le mécanisme pour transformer des "planétésimaux" de la taille d'un kilomètre en noyaux planétaires, sont tous les deux bien compris.
L'étape intermédiaire, prendre des cailloux et les assembler en objets de la taille d'astéroïdes, est moins clair, mais avec plus de 3, 500 planètes déjà trouvées autour d'autres étoiles, l'ensemble du processus doit être omniprésent.
Dr Jean-François Gonzalez, du Centre de Recherche Astrophysique de Lyon, en France, a dirigé le nouveau travail. Il commente :« Jusqu'à présent, nous avons eu du mal à expliquer comment les cailloux peuvent s'assembler pour former des planètes, et pourtant, nous avons maintenant découvert un nombre énorme de planètes en orbite autour d'autres étoiles. Cela nous a amenés à réfléchir à la façon de résoudre ce mystère."
Il y a deux barrières principales à surmonter pour que les cailloux deviennent des planétésimaux. Premièrement, la traînée du gaz sur les grains de poussière dans un disque les fait dériver rapidement vers l'étoile centrale, où ils sont détruits, ne laissant aucun matériau pour former des planètes. Le deuxième défi est que les grains en croissance peuvent être brisés lors de collisions à grande vitesse, les briser en un grand nombre de morceaux plus petits et inverser le processus d'agrégation.
Ce dessin animé illustre les étapes du mécanisme de formation des pièges à poussière. L'étoile centrale est représentée en jaune, entouré par le disque protoplanétaire, ici représenté en bleu. Les grains de poussière constituent la bande qui traverse le disque. Dans la première étape, les grains de poussière grossissants, et se déplacer vers l'intérieur vers l'étoile centrale. Les grains plus gros maintenant de la taille d'un caillou (dans le deuxième panneau) s'empilent alors et ralentissent, et dans la troisième étape le gaz est poussé vers l'extérieur par la contre-réaction, créant des régions où la poussière s'accumule, les soi-disant pièges à poussière. Les pièges permettent alors aux cailloux de s'agréger pour former des planétésimaux, et finalement des mondes de la taille d'une planète. Crédit :© Volker Schurbert
Les seuls endroits dans les disques formant des planètes où ces problèmes peuvent être surmontés sont les « pièges à poussière ». Dans ces régions de haute pression, le mouvement de dérive ralentit, permettant aux grains de poussière de s'accumuler. Avec leur vitesse réduite, les grains peuvent également éviter la fragmentation lorsqu'ils entrent en collision.
Jusqu'à maintenant, les astronomes pensaient que les pièges à poussière ne pouvaient exister que dans des environnements très spécifiques, mais les simulations informatiques effectuées par l'équipe indiquent qu'elles sont très courantes. Leur modèle accorde une attention particulière à la façon dont la poussière dans un disque traîne sur le composant gazeux. Dans la plupart des simulations astronomiques, le gaz fait bouger la poussière, mais parfois, dans les milieux les plus poussiéreux, la poussière agit plus fortement sur le gaz.
Cet effet, connue sous le nom de réaction de traînée aérodynamique, est généralement négligeable, donc jusqu'à présent a été ignoré dans les études sur la croissance et la fragmentation des grains. Mais ses effets deviennent importants dans les environnements riches en poussière, comme ceux trouvés là où les planètes se forment.
L'effet de la contre-réaction est de ralentir la dérive des grains vers l'intérieur, ce qui leur laisse le temps de grandir. Une fois assez grand, les grains sont leurs propres maîtres, et le gaz ne peut plus gouverner leur mouvement. Le gaz, sous l'influence de cette contre-réaction, va être poussé vers l'extérieur et former une zone de haute pression :le piège à poussière. Ces pièges spontanés concentrent alors les grains provenant des régions externes du disque, créant un anneau de solides très dense, et donner un coup de main à la formation des planètes.
Ce dessin animé illustre les étapes du mécanisme de formation des pièges à poussière. L'étoile centrale est représentée en jaune, entouré par le disque protoplanétaire, ici représenté en bleu. Les grains de poussière constituent la bande qui traverse le disque. Dans la première étape, les grains de poussière grossissants, et se déplacer vers l'intérieur vers l'étoile centrale. Les grains plus gros maintenant de la taille d'un caillou (dans le deuxième panneau) s'empilent alors et ralentissent, et dans la troisième étape le gaz est poussé vers l'extérieur par la contre-réaction, créant des régions où la poussière s'accumule, les soi-disant pièges à poussière. Les pièges permettent alors aux cailloux de s'agréger pour former des planétésimaux, et finalement des mondes de la taille d'une planète. Crédit :(c) Volker Schurbert
Gonzalez conclut :« Nous avons été ravis de découvrir que, avec les bons ingrédients en place, des pièges à poussière peuvent se former spontanément, dans une large gamme d'environnements. Il s'agit d'une solution simple et robuste à un problème de longue date dans la formation des planètes."
Des observatoires comme ALMA au Chili voient déjà des anneaux brillants et sombres former des systèmes planétaires que l'on pense être des pièges à poussière. Gonzalez et son équipe, et d'autres groupes de recherche dans le monde, envisagent maintenant d'étendre le modèle de piège jusqu'à la formation des planétésimaux.
