Dans une étude publiée aujourd'hui dans le Journal d'astrophysique , une équipe de chercheurs dirigée par l'INAF a exploré si les caractéristiques anormales dans les distributions de poussière et de gaz du disque de HD 163296 révélées par les observations d'ALMA pourraient provenir de l'interaction des planètes géantes avec des planétésimaux, un composant du disque jusqu'alors introuvable.

Les disques circumstellaires composés de gaz et de poussière entourant les jeunes étoiles en formation sont l'environnement dans lequel naissent les planètes. Leur poussière fournit le matériau de construction à partir duquel les planètes commencent leur croissance et, en raison de son incorporation dans les corps planétaires, son abondance devrait diminuer avec le temps. Depuis ses premières images des anneaux concentriques brillants du disque circumstellaire autour de HL Tau, ALMA a révolutionné notre vision des disques circumstellaires en révélant la présence généralisée d'un certain nombre de structures à petite échelle (lacunes, anneaux et bras spiraux) dans leurs gaz et poussières, la plupart d'entre elles seraient liées à la présence de jeunes planètes et résulteraient de l'interaction de leur gravité avec leur environnement.

Parmi les disques les mieux étudiés observés par ALMA se trouve celui entourant HD 163296, une étoile de 5 Myr environ deux fois la masse du soleil. Le disque du HD 163296 est à la fois massif (un peu moins d'un dixième de la masse du soleil) et large (environ 500 UA, deux fois la limite extérieure de la ceinture de Kuiper dans le système solaire) et a été proposé pour abriter au moins trois planètes avec des masses comprises entre deux fois celle d'Uranus et celle de Jupiter. Les observations les plus récentes d'ALMA ont permis de caractériser spatialement et compositionnellement la structure du disque de HD 163296 à un niveau insoupçonné et ont montré comment la poussière est encore assez abondante (plus de 300 fois la masse de la Terre) dans ce disque malgré son âge et a produit au moins trois planètes géantes. Les mêmes observations ont également révélé des comportements étranges de la distribution spatiale de la poussière qui ne pouvaient pas être facilement expliqués uniquement par son interaction avec le gaz et les planètes géantes nouvellement formées.

La poussière devrait migrer vers l'intérieur depuis les régions externes du disque en raison de son couplage et de sa friction avec le gaz, mais il devrait également être arrêté dans sa migration par des planètes massives. En raison de ce flux entrant, la poussière devrait disparaître avec le temps de la région située immédiatement à l'intérieur de la planète la plus interne de HD 163296. À la fois, la poussière provenant des régions externes du disque devrait s'accumuler en dehors des orbites des deuxième et troisième planètes. Les observations d'ALMA ont plutôt révélé que les régions à l'intérieur de la première planète et entre les première et deuxième planètes ont certaines des concentrations de poussière les plus élevées de tout le disque. Dans une étude publiée aujourd'hui sur le Journal d'astrophysique , une équipe de chercheurs a exploré si ces caractéristiques anormales pouvaient résulter de l'interaction des planètes géantes avec un composant du disque jusqu'alors inconnu :les planétésimaux.

"De l'étude du système solaire, nous savons que les disques circumstellaires matures comme HD 163296 ne sont pas composés uniquement de gaz et de poussière, mais contiennent également une population invisible de petits objets planétaires similaires à nos astéroïdes et comètes" explique Diego Turrini, auteur principal de l'étude et chercheur à l'Institut d'astrophysique spatiale et des sciences planétaires (IAPS) de l'Institut national italien d'astrophysique (INAF). "Nous savons également que l'apparition de planètes géantes affecte ces planétésimaux en provoquant dans leur évolution orbitale un pic bref mais intense d'excitation dynamique qui, bien que court du point de vue de la longue durée de vie d'un système planétaire, peut avoir une durée comparable à la vie des disques circumstellaires, " dit Turrini.

L'équipe s'est demandé si ces interactions entre les jeunes planètes géantes du HD 163296 et les planétésimaux invisibles pouvaient produire les anomalies observées dans la distribution de la poussière. Les simulations qu'ils ont effectuées ont montré comment, pendant la croissance des trois planètes géantes, une fraction de plus en plus importante de la population environnante de planétésimaux est injectée sur des orbites très excentriques et très inclinées similaires à celles des comètes du système solaire. "Le principal résultat de cette excitation dynamique est un taux plus élevé de collisions violentes parmi les planétésimaux, " explique Francesco Marzari, professeur à l'Université de Padoue et co-auteur de l'étude.

Lorsqu'ils ont analysé le résultat des simulations dynamiques à l'aide d'un modèle de collision, l'équipe a découvert que les collisions entre les planétésimaux restent assez douces jusqu'à ce que les planètes géantes approchent de leur masse finale, mais ensuite ils se multiplient rapidement au centuple en violence et commencent à broyer les planétésimaux. "Ces violentes collisions reconstituent la population de poussière dans le disque, " dit Marzari " La nouvelle poussière produite par ce procédé, cependant, a une distribution orbitale différente de celle d'origine et est principalement concentrée à deux endroits :la région orbitale à l'intérieur de la première planète géante et l'anneau entre la première et la deuxième planètes géantes. ce qui était théoriquement attendu.

L'équipe a découvert que l'excitation dynamique causée par l'apparition des trois planètes géantes devrait encore agir à ce jour sur les planétésimaux intégrés dans le disque de HD 163296. Les auteurs ont également découvert que la production de poussière par collision soutenue qui en résulte est capable d'injecter des dizaines de masses terrestres de poussière dans ces deux régions orbitales, expliquant les observations d'ALMA également d'un point de vue quantitatif. "Jusqu'à présent, étudier ce genre de processus tout en se produisant dans des disques circumstellaires n'était possible que par des simulations, ", dit Turrini. "Grâce à ALMA, nous pourrions maintenant l'étudier en temps réel et en apprendre beaucoup sur l'interaction entre la formation planétaire et l'environnement qui l'entoure."

"La vitesse à laquelle ALMA fournit de nouvelles données plus détaillées sur HD 163296 nous a permis d'étendre notre étude au-delà de sa portée initiale, " explique Danai Polychroni, co-auteur de l'étude et à l'époque professeur à l'Université d'Atacama et chercheur adjoint à l'INAF-IAPS. "Nous avons remarqué que de nombreux planétésimaux sont excités à des vitesses supersoniques par rapport au gaz environnant du disque et peuvent créer des ondes de choc qui peuvent chauffer à la fois les planétésimaux et le gaz. Bien que nous ne puissions pas encore modéliser ce processus en détail, des observations récentes ont signalé la présence inattendue de gaz CO dans des régions caractérisées par des températures où il devrait être solide gelé et d'éventuelles anomalies dans la structure thermique du disque. Les deux constatations peuvent, en principe, s'explique grâce à la présence de ces planétésimaux supersoniques et aux ondes de choc qu'ils créent."

"Cette étude a été lancée en tant que projet pionnier pour explorer si l'excitation dynamique causée par les planètes géantes nouvellement formées pouvait réellement produire des effets observables. En tant que tel, nous venons de gratter la surface de ce processus et de ses implications, " dit Leonardo Testi, également co-auteur de l'étude et responsable du Centre de soutien ALMA de l'Observatoire européen austral et chercheur INAF en congé. "Néanmoins, sa recette physique est assez simple :des planètes massives se formant dans un disque de planétésimaux. Compte tenu des signatures très répandues d'éventuelles jeunes planètes géantes que nous découvrons avec ALMA et de la durée prolongée des effets dynamiques causés par leur apparition, nous pourrions envisager un processus assez courant parmi les disques circumstellaires."

« Le contexte des travaux menés par Diego Turrini est l'un des piliers de la synergie GENESIS, " explique Claudio Codella (INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri), Chercheur principal du projet GENESIS-SKA, financé par l'INAF. "GENESIS-SKA (www.genesis.inaf.it) est un projet national où plus de 60 chercheurs de 8 instituts INAF travaillent en étroite collaboration avec l'objectif global d'étudier les conditions favorables à l'ascension de systèmes planétaires similaires à notre système solaire ."

"Les résultats du présent projet, " ajoute Codella, "sera d'une extrême importance également pour l'étude des compositions chimiques du gaz situé dans les régions où se formeront les planètes, et, peut-être, de leurs atmosphères."