Simulations numériques par un groupe d'astronomes, dirigé par Mario Flock du Max Planck Institute for Astronomy, ont montré que les jeunes systèmes planétaires sont naturellement « à l'épreuve des bébés » :les mécanismes physiques se combinent pour empêcher les jeunes planètes des régions intérieures de plonger fatalement dans l'étoile. Des processus similaires permettent également aux planètes de naître près des étoiles, à partir de cailloux piégés dans une région proche de l'étoile. La recherche, qui a été publié dans la revue Astronomie &Astrophysique , explique les découvertes des télescopes spatiaux Kepler qui montrent un grand nombre de super-Terres en orbite très proche de leurs étoiles, au bord de la zone à l'épreuve des bébés.

Quand un enfant est né, les parents s'assureront d'avoir mis leur maison à l'épreuve des bébés, mettre en place des barrières de sécurité qui éloignent l'enfant des zones particulièrement dangereuses. De nouvelles recherches sur la formation des planètes montrent que quelque chose de très similaire se produit dans les jeunes systèmes planétaires.

Les planètes se forment autour d'une jeune étoile, qui est entouré d'un disque de gaz et de poussière. A l'intérieur de ce disque protoplanétaire, les grains de poussière collent ensemble, de plus en plus gros. Après quelques millions d'années, ils ont atteint quelques kilomètres de diamètre. À ce moment, la gravité est assez forte pour rassembler de tels objets pour former des planètes, objets ronds, solide ou à âme pleine, avec des diamètres de quelques milliers de kilomètres ou plus.

Un curieux encombrement à la limite intérieure

Tout comme les tout-petits, les objets solides dans un système planétaire aussi jeune ont tendance à se déplacer dans toutes les directions, non seulement en orbite autour de l'étoile, mais dérive vers l'intérieur ou vers l'extérieur. Cela peut devenir potentiellement fatal pour les planètes qui sont déjà relativement proches de l'étoile centrale.

Près de l'étoile, nous ne rencontrerons que des planètes rocheuses, avec des surfaces solides, semblable à notre Terre. Les noyaux planétaires ne peuvent que capturer et conserver des quantités importantes de gaz pour devenir des géantes gazeuses beaucoup plus loin, loin de l'étoile chaude. Mais le type de calcul le plus simple pour le mouvement d'une planète près de l'étoile, dans le gaz d'un disque protoplanétaire, montre qu'une telle planète devrait continuellement dériver vers l'intérieur, plongeant dans l'étoile à une échelle de temps inférieure à un million d'années, beaucoup plus courte que la durée de vie du disque.

Si c'était l'image entière, il serait surprenant que le satellite Kepler de la NASA, l'examen d'étoiles semblables au soleil (spectrales de types F, G et K), trouvé quelque chose de complètement différent :de nombreuses étoiles ont des orbites très proches de ce qu'on appelle des super-Terres, planètes rocheuses plus massives que notre propre Terre. Les planètes avec des périodes d'environ 12 jours sont particulièrement courantes, descendre à des périodes aussi basses que 10 jours. Pour notre soleil, qui correspondrait à des rayons orbitaux d'environ 0,1 unité astronomique, seulement environ un quart du rayon orbital de Mercure, la planète la plus proche de notre soleil dans notre propre système solaire.

C'était le puzzle que Mario Flock, chef de groupe à l'Institut Max Planck d'Astronomie, entreprendre de résoudre, avec des collègues du Jet Propulsion Laboratory, l'Université de Chicago et l'Université Queen Mary, Londres. Les chercheurs impliqués sont experts dans la simulation de l'environnement complexe dans lequel naissent les planètes, modélisation des flux et interactions de gaz, poussière, champs magnétiques, et des planètes et de leurs divers stades précurseurs. Face à l'apparent paradoxe des super-Terres de Kepler en orbite rapprochée, ils ont entrepris de simuler en détail la formation des planètes à proximité d'étoiles semblables au soleil.

Protection des bébés à l'échelle du système solaire

Leurs résultats étaient sans équivoque, et suggèrent deux raisons possibles derrière l'occurrence commune de planètes en orbite rapprochée. La première est que, au moins pour les planètes rocheuses avec des masses jusqu'à 10 fois la masse de la Terre ("super-Terres" ou "Mini-Neptunes"), ces premiers systèmes stellaires sont à l'épreuve des bébés.

La barrière de sécurité qui maintient les jeunes planètes hors de la zone dangereuse fonctionne comme suit. Plus nous nous rapprochons de l'étoile, plus le rayonnement de l'étoile est intense. Limite intérieure appelée front de sublimation silicatée, la température du disque s'élève au-dessus de 1200 K, et les particules de poussière (silicates) se transformeront en gaz. Le gaz extrêmement chaud à l'intérieur de cette région devient très turbulent. Cette turbulence transporte le gaz vers l'étoile à grande vitesse, éclaircir la région interne du disque dans le processus.

Alors qu'une jeune super-Terre voyage à travers le gaz, il est généralement accompagné de gaz co-rotant avec la planète sur une trajectoire orbitale similaire à un fer à cheval. Alors que la planète dérive vers l'intérieur et atteint le front de sublimation des silicates, les particules de gaz se déplaçant du gaz chaud le plus fin au gaz plus dense à l'extérieur de la frontière donnent un petit coup de pied à la planète. Dans cette situation, le gaz exercera une influence (en termes physiques :un couple) sur la planète voyageuse, et surtout, en raison du saut de densité, cette influence éloignera la planète de la frontière, radialement vers l'extérieur. De cette façon, la limite sert de barrière de sécurité, empêcher les jeunes planètes de plonger dans l'étoile. Et l'emplacement de la frontière pour une étoile semblable au soleil, comme prédit par la simulation, correspond à la limite inférieure des périodes orbitales trouvée par Kepler. Comme le dit Mario Flock :"Pourquoi y a-t-il tant de super-Terres en orbite rapprochée, comme Kepler nous l'a montré ? Parce que les jeunes systèmes planétaires ont une barrière intégrée à l'épreuve des bébés."

Planète-construction à la frontière

Il existe une autre possibilité :en traçant le mouvement de cailloux, des objets plus petits de quelques millimètres ou centimètres, les chercheurs ont découvert que ces cailloux ont tendance à s'accumuler étroitement derrière le front de sublimation du silicate. Pour que la pression s'équilibre directement à la frontière, le gaz mince dans la région de transition doit tourner plus vite que d'habitude (puisqu'il doit y avoir un équilibre entre la pression et la force centrifuge). Cette rotation du gaz est plus rapide que la vitesse orbitale « képlérienne » d'une particule isolée gravitant seule autour de l'étoile. Un caillou qui entre dans cette région de transition est forcé dans ce mouvement plus rapide que Keplerian, et immédiatement éjecté à nouveau lorsque les forces centrifuges correspondantes le poussent vers l'extérieur, comme un petit enfant qui glisse de la plate-forme d'un manège. Cette, contribue également à la fréquence des super-Terres en orbite rapprochée. Non seulement les super-Terres précédemment formées se rassemblent à une barrière à l'épreuve des bébés. Le fait que des cailloux s'accumulent à cette barrière offre également des conditions idéales pour la super-Terre nouvellement formée à cet endroit.

Les résultats n'ont pas été une surprise complète pour les chercheurs. En réalité, ils avaient trouvé un piège à galets similaire dans des modèles d'étoiles beaucoup plus lourdes ("Herbig stars"), bien qu'à une distance beaucoup plus grande de l'étoile. Les nouveaux résultats étendent cela aux étoiles semblables au soleil, et ils ajoutent le mécanisme de protection contre les bébés pour les planètes nouveau-nées. Par ailleurs, le nouvel article est le premier qui fournit une comparaison avec les données statistiques du télescope spatial Kepler, en tenant soigneusement compte du fait que Kepler ne pourra voir que certains types de systèmes (notamment là où nous voyons le plan orbital presque par la tranche).

Et notre propre système solaire ?

De façon intéressante, par ces critères, notre propre système solaire aurait également pu abriter une planète semblable à la Terre plus proche du soleil que la planète la plus intérieure actuelle, Mercure. Le fait qu'il n'y ait pas une telle planète est-il un hasard statistique, ou une telle planète a-t-elle existé et a été éjectée du système solaire à un moment donné ? C'est une question intéressante pour des recherches supplémentaires. Comme le dit Mario Flock :« Non seulement notre système solaire était à l'épreuve des bébés, mais il est possible que le bébé ainsi protégé ait depuis « volé le nid ».