Dans la recherche théorique qui pourrait tout expliquer, de la formation des planètes aux sorties des étoiles, jusqu'à la décantation des cendres volcaniques, Les chercheurs de Caltech ont découvert un nouveau mécanisme pour expliquer comment l'action de la poussière se déplaçant à travers le gaz conduit à des amas de poussière. Alors que les amas de poussière étaient déjà connus pour jouer un rôle dans l'ensemencement de nouvelles planètes et de nombreux autres systèmes dans l'espace et sur Terre, comment les touffes se sont formées était inconnue jusqu'à présent.
Phil Hopkins, professeur d'astrophysique théorique à Caltech, travailler avec Jonathan (Jono) Squire, un ancien post-doctorant à Caltech, a commencé à réfléchir aux perturbations de la poussière se déplaçant dans le gaz tout en étudiant la force du rayonnement des étoiles et des galaxies à l'origine des vents chargés de poussière. Hopkins dit qu'il était auparavant supposé que la poussière était stable dans le gaz, ce qui signifie que les grains de poussière se déplaceraient avec le gaz sans qu'il se passe grand-chose, ou ils se déposeraient hors du gaz si les particules étaient assez grosses, comme c'est le cas avec la suie d'un incendie.
"Ce que Jono et moi avons découvert, c'est que la poussière et le gaz essayant de se déplacer les uns avec les autres sont instables et provoquent la réunion des grains de poussière, " dit Hopkins. " Bientôt, nous avons commencé à réaliser que ces instabilités gaz-poussière sont en jeu partout dans l'univers qu'une force pousse la poussière à travers le gaz, si les forces sont des vents stellaires, la gravité, magnétisme, ou un champ électrique. » Les simulations de l'équipe montrent des matériaux tourbillonnant ensemble, avec des amas de poussière de plus en plus gros.
"Nous avons en fait commencé à étudier les vents poussés par la poussière dans l'espace, mais comme nous avons étudié le problème, nous avons remarqué des caractéristiques spécifiques des instabilités qui nous ont amenés à penser qu'il s'agissait d'un phénomène plus général, " dit l'écuyer, qui, avec Hopkins, a rédigé quatre articles sur leurs nouvelles découvertes, un accepté pour publication à The Astrophysical Journalet trois à la Avis mensuels de la Royal Astronomical Society . "D'ici, ça a fait boule de neige, puisque nous avons pu étudier beaucoup de systèmes différents - galaxies, étoiles, formation de la planète, le gaz proche des trous noirs supermassifs, supernova, et cetera—et confirmer notre intuition. Ce n'était pas un moment eurêka mais une série d'eurekas qui ont duré environ une semaine."
Les implications les plus notables pour les nouvelles instabilités de Hopkins-Squire sont peut-être pour l'étude des planètes en plein essor. Les planètes prennent forme dans la poussière, disques "protoplanétaires" en rotation de gaz et de poussière autour de jeunes étoiles. Dans ces disques, la poussière se rassemble pour former des cailloux et des rochers de plus en plus gros, puis des morceaux de la taille d'une montagne, et finalement des planètes adultes.
À un moment donné au cours de ce processus, quand les morceaux de roche sont assez gros—environ 1, 000 kilomètres de diamètre—la gravité prend le dessus et écrase les rochers montagneux en une planète ronde. Le grand mystère réside dans ce qui se passe avant que la gravité ne fasse effet, c'est-à-dire qu'est-ce qui cause les particules de poussière, cailloux, et des rochers pour se réunir? Les chercheurs pensaient autrefois qu'ils pourraient se coller les uns aux autres de la même manière que les lapins de poussière s'accumulent sous votre lit, mais il y a des problèmes avec cette théorie.
"Si vous jetez deux cailloux ensemble, ils ne collent pas. Ils rebondissent juste l'un sur l'autre, " dit Hopkins. " Pour les tailles comprises entre un millimètre et des centaines de kilomètres, les grains ne collent pas. C'est l'un des plus gros problèmes dans la modélisation de la formation des planètes."
Dans le modèle d'instabilité de Hopkins-Squire, qui s'appuie sur des modèles précédents d'interactions poussières-gaz, la formation d'amas de poussière planétaire commencerait par de minuscules grains de poussière se déplaçant à travers le gaz en orbite dans un disque protoplanétaire. Le gaz s'enroulerait autour d'un grain comme l'eau d'une rivière autour d'un rocher; la même chose se produirait avec un autre grain de poussière à proximité. Ces deux flux de gaz pourraient alors interagir. S'il y a de nombreux grains de poussière relativement proches les uns des autres, ce qui est le cas dans la formation des planètes, l'effet net des nombreux flux de gaz résultants serait de canaliser la poussière ensemble en touffes.
"Dans notre nouvelle théorie, ce collage par agglutination peut se produire pour une gamme de tailles de grains beaucoup plus large qu'on ne le pensait auparavant, permettant aux grains plus petits de participer au processus et de grossir rapidement, " dit l'écuyer.
« Comprendre les origines de notre système solaire fait partie des problèmes les plus importants de toutes les sciences naturelles, et la découverte de l'instabilité Hopkins-Squire est une étape importante vers la réalisation de cette compréhension. C'est un développement passionnant, " dit Konstantin Batygin de Caltech, professeur adjoint de science planétaire et boursier Van Nuys Page, qui n'a pas participé à l'étude.
L'équipe de recherche affirme que ces instabilités peuvent également être importantes dans des situations complètement différentes ici sur Terre. Par exemple, les cendres volcaniques ou les gouttes de pluie interagissent avec notre atmosphère exactement de la même manière que la poussière astrophysique interagit avec le gaz environnant.
"C'est très intéressant d'explorer comment ces instabilités pourraient fonctionner dans tous ces différents scénarios, " dit Squire. " Nous sommes impatients de comprendre des instabilités complètement différentes dans d'autres domaines de la physique et des mathématiques appliquées - et, avec un peu de chance, à trouver d'autres systèmes entièrement nouveaux et intéressants là où cela se produit."
