Les images haute résolution d'ALMA des disques protoplanétaires proches, qui sont les résultats du projet de sous-structures de disque à haute résolution angulaire (DSHARP). Crédit :ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al .; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
Les astronomes en ont catalogué près de 4, 000 exoplanètes en orbite autour d'étoiles lointaines. Bien que la découverte de ces nouveaux mondes nous ait beaucoup appris, il y a encore beaucoup de choses que nous ignorons sur la naissance des planètes et les recettes cosmiques précises qui engendrent le large éventail de corps planétaires que nous avons déjà découverts, y compris les Jupiters dits chauds, des mondes rocheux massifs, planètes naines glacées, et, espérons-le, un jour bientôt, des analogues lointains de la Terre.
Pour aider à répondre à ces questions et à d'autres intrigantes, une équipe d'astronomes a réalisé la première grande échelle d'ALMA, relevé haute résolution des disques protoplanétaires, les ceintures de poussière et de gaz autour des jeunes étoiles.
Connu sous le nom de projet de sous-structures de disque à haute résolution angulaire (DSHARP), ce "Large Program" de l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) a donné des résultats étonnants, images haute résolution de 20 disques protoplanétaires à proximité et donné aux astronomes de nouvelles informations sur la variété des caractéristiques qu'ils contiennent et la vitesse à laquelle les planètes peuvent émerger.
Les résultats de cette enquête paraîtront dans un numéro spécial de la Lettres de revues astrophysiques .
Selon les chercheurs, l'interprétation la plus convaincante de ces observations est que les grandes planètes, probablement similaire en taille et en composition à Neptune ou Saturne, former rapidement, beaucoup plus vite que la théorie actuelle ne le permettrait. De telles planètes ont également tendance à se former dans les confins de leur système solaire, à des distances énormes de leurs étoiles hôtes.
Une telle formation précoce pourrait également aider à expliquer à quel point les roches, Les mondes de la taille de la Terre sont capables d'évoluer et de grandir, survivre à leur adolescence présumée autodestructrice.
"L'objectif de cette campagne d'observation de plusieurs mois était de rechercher des points communs et des différences structurelles dans les disques protoplanétaires. La vision remarquablement nette d'ALMA a révélé des structures inédites et des motifs étonnamment complexes, " a déclaré Sean Andrews, astronome au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) et leader de la campagne d'observation ALMA, avec Andrea Isella de l'Université Rice, Laura Pérez de l'Université du Chili, et Cornelis Dullemond de l'Université de Heidelberg. "Nous voyons des détails distincts autour d'un large assortiment de jeunes étoiles de masses diverses. L'interprétation la plus convaincante de ces très diverses, caractéristiques à petite échelle, c'est qu'il y a des planètes invisibles qui interagissent avec le matériau du disque."
Les principaux modèles de formation des planètes soutiennent que les planètes naissent de l'accumulation progressive de poussière et de gaz à l'intérieur d'un disque protoplanétaire, en commençant par des grains de poussière glacée qui s'unissent pour former des roches de plus en plus grosses, jusqu'aux astéroïdes, planétésimaux, et les planètes émergent. Ce processus hiérarchique devrait prendre plusieurs millions d'années à se dérouler, suggérant que son impact sur les disques protoplanétaires serait plus répandu dans les anciens, systèmes plus matures. Montage de preuves, cependant, indique que ce n'est pas toujours le cas.
Quatre des vingt disques qui composent le relevé de la plus haute résolution d'ALMA sur les disques protoplanétaires proches. - AS 209 est une étoile hébergeant un disque vieux de 1 million d'années et situé à environ 400 années-lumière de la Terre. L'image ALMA montre une série serrée d'anneaux poussiéreux dans son disque interne et deux fines bandes de poussière supplémentaires très loin de l'étoile centrale. - HD 143006 a environ 5 millions d'années et réside à 540 années-lumière de la Terre. Cette étoile héberge un disque qui montre de larges écarts entre les voies poussiéreuses qui délimitent les parties intérieure et extérieure du disque. Une région dense en forme d'arc, annonçant éventuellement une concentration de matière où se forment des comètes ou d'autres corps glacés, peut être vu sur la partie inférieure gauche de l'anneau extérieur. - ALMA révèle de grands bras spiraux dans le disque de poussière en orbite autour de IM Lup, une jeune étoile située à environ 515 années-lumière de la Terre. Ces modèles peuvent être le résultat d'un compagnon planétaire invisible perturbant le disque, ou une instabilité globale de la structure du disque similaire à celles observées dans les galaxies spirales comme la Voie lactée. - AS 205 est un système à étoiles multiples, avec chaque étoile arborant son propre disque poussiéreux. Comme la plupart des étoiles de la Voie lactée sont des multiples, cette observation fournit des indices sur le potentiel des planètes dans de tels systèmes. Ce système est situé à environ 420 années-lumière de la Terre. Crédit :ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) S. Andrews et al .; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
Les premières observations d'ALMA sur de jeunes disques protoplanétaires, certains n'ont qu'un million d'années environ, révèlent des structures étonnamment bien définies, y compris les anneaux et les lacunes proéminents, qui semblent être les caractéristiques des planètes. Les astronomes ont d'abord été prudents en attribuant ces caractéristiques aux actions des planètes, car d'autres processus naturels pourraient être en jeu.
"Il était surprenant de voir des signatures possibles de formation de planètes dans les toutes premières images à haute résolution de jeunes disques. Il était important de savoir s'il s'agissait d'anomalies ou si ces signatures étaient courantes dans les disques, " a déclaré Jane Huang, étudiant diplômé au CfA et membre de l'équipe de recherche.
Étant donné que l'échantillon initial de disques que les astronomes pouvaient étudier était si petit, cependant, il était impossible de tirer des conclusions générales. Il se pourrait que les astronomes aient observé des systèmes atypiques. Plus d'observations sur une variété de disques protoplanétaires étaient nécessaires pour déterminer les causes les plus probables des caractéristiques qu'ils voyaient.
La campagne DSHARP a été conçue pour faire précisément cela en étudiant la distribution à relativement petite échelle des particules de poussière autour de 20 disques protoplanétaires proches. Ces particules de poussière brillent naturellement dans une lumière de longueur d'onde millimétrique, permettant à ALMA de cartographier avec précision la distribution de densité de petits, particules solides autour des jeunes étoiles.
Selon la distance de l'étoile à la Terre, ALMA a pu distinguer des caractéristiques aussi petites que quelques unités astronomiques. (Une unité astronomique est la distance moyenne de la Terre au Soleil, soit environ 150 millions de kilomètres, qui est une échelle utile pour mesurer les distances à l'échelle des systèmes stellaires). À l'aide de ces observations, les chercheurs ont pu imager une population entière de disques protoplanétaires proches et étudier leurs caractéristiques à l'échelle de l'UA.
Les chercheurs ont découvert que de nombreuses sous-structures (espaces concentriques, anneaux étroits-sont communs à presque tous les disques, tandis que des motifs en spirale à grande échelle et des caractéristiques en forme d'arc sont également présents dans certains cas. Aussi, les disques et les lacunes sont présents à une large gamme de distances de leurs étoiles hôtes, de quelques UA à plus de 100 UA, qui est plus de trois fois la distance de Neptune à notre Soleil.
Ces fonctionnalités, qui pourrait être l'empreinte de grosses planètes, peut expliquer comment des planètes rocheuses de la taille de la Terre sont capables de se former et de grandir. Depuis des décennies, les astronomes se sont interrogés sur un obstacle majeur dans la théorie de la formation des planètes :une fois que les corps poussiéreux atteignent une certaine taille - environ un centimètre de diamètre - la dynamique d'un disque protoplanétaire lisse les inciterait à tomber sur leur étoile hôte, ne jamais acquérir la masse nécessaire pour former des planètes comme Mars, Vénus, et la Terre.
Les anneaux de poussière denses que nous voyons maintenant avec ALMA produiraient un refuge sûr pour que les mondes rocheux atteignent leur pleine maturité. Leurs densités plus élevées et la concentration de particules de poussière créeraient des perturbations dans le disque, formant des zones où les planétésimaux auraient plus de temps pour devenir des planètes à part entière.
"Quand ALMA a vraiment révélé ses capacités avec son image emblématique de HL Tau, nous avons dû nous demander si c'était une valeur aberrante puisque le disque était relativement massif et jeune, " a noté Pérez. " Ces dernières observations montrent que, bien que frappant, HL Tau est loin d'être inhabituel et peut en fait représenter l'évolution normale des planètes autour des jeunes étoiles."
