D'un disque massif de gaz et de poussière tournant autour du soleil, la terre et les sept autres planètes de notre système solaire se sont autrefois développées aux côtés de leurs lunes. Et la même chose a dû arriver, les scientifiques croient, pour les milliers de planètes extrasolaires découvertes au cours des dernières décennies. Pour mieux comprendre, les astrophysiciens utilisent des simulations informatiques pour étudier les processus à l'œuvre lorsque les planètes se forment à partir de ces disques protoplanétaires, comme la croissance de la masse d'une planète ainsi que la formation de son champ magnétique. Jusqu'à tout récemment, ces deux processus – le développement de la planète et la formation du champ magnétique – ont été des domaines de recherche distincts et simulés dans des modèles distincts. Mais maintenant, Lucio Mayer, Professeur d'astrophysique computationnelle à l'Université de Zurich et chef de projet au National Center of Competence in Research Planets, avec ses collègues Hongping Deng, ancien doctorat élève de Mayer, et Henrik Latter, Maître de conférences à l'Université de Cambridge, ont réussi à combiner les deux processus en une seule simulation pour la première fois. Les résultats sont maintenant publiés dans le Journal d'astrophysique .

Deux modèles en un

Les astrophysiciens sont conscients que la soi-disant instabilité gravitationnelle (IG) dans un massif, Le disque rotatif de matière joue un rôle décisif dans la formation des planètes. Il provoque l'agglutination des particules de sorte que des structures à haute densité telles que des bras spiraux se forment. De ces structures agglutinées, les planètes auraient pu se construire rapidement, sur une période de "seulement" des centaines de milliers d'années, voire moins. Cependant, les effets du champ magnétique lors de l'instabilité gravitationnelle ont été négligés comme point d'étude, jusqu'à maintenant. A l'aide du supercalculateur « Piz Daint » du Centre national suisse de calcul intensif (CSCS) de Lugano, ces scientifiques ont maintenant simulé le développement du disque protoplanétaire à la fois sous l'influence de la gravité et en présence d'un champ magnétique, découvrant ainsi un mécanisme complètement nouveau qui pourrait expliquer des observations auparavant inexpliquées.

Une de ces observations inexpliquées est que les planètes de notre système solaire tournent aujourd'hui beaucoup plus lentement que le disque protoplanétaire d'où elles ont dû émergé. Lors de la formation des planètes, ainsi que des étoiles et des trous noirs, d'énormes quantités de moment angulaire doivent être perdues, mais comment ils ont perdu cet élan est resté incertain. Ce problème dit de moment angulaire est bien connu en astrophysique. "Notre nouveau mécanisme semble pouvoir résoudre et expliquer ce problème très général, " dit Mayer.

Réaliser un rêve scientifique

Combiner les deux processus en une seule simulation est un rêve de Mayer depuis de nombreuses années. Cependant, les processus physiques sous-jacents sont complexes, et leur représentation dans les simulations nécessitait des codes sophistiqués et une puissance de calcul élevée. Bien que la réalisation du rêve se rapproche de plus en plus avec l'augmentation constante de la puissance de calcul des supercalculateurs, il n'y avait pas de temps pour la description mathématique et physique des processus nécessaires pour résoudre le problème. Cependant, grâce au soutien et aux compétences de Hongping Deng, qui a développé une méthode adaptée, le rêve pouvait maintenant devenir réalité. L'équipe a expérimenté cette nouvelle technique numérique, l'a développé davantage, et l'a optimisé pour tirer le meilleur parti possible des capacités de performance de « Piz Daint ».

Spécifiquement, les chercheurs ont utilisé et amélioré une méthode dite hybride maille-particule pour calculer le champ magnétique, dynamique des fluides et gravitation. Dans cette méthode, la masse et la gravité exercées sont calculées à l'aide de particules, dont chacun représente un élément du système. La pression thermique et l'effet du champ magnétique sont calculés avec une sorte de maillage adaptatif virtuel construit à partir des particules, lequel, selon les chercheurs, permet une grande précision.

La méthode nouvellement développée a conduit à des résultats surprenants concernant l'interaction entre l'IG et le champ magnétique. Il a été montré que les bras spiraux formés par gravité dans le disque protoplanétaire agissent comme une dynamo, étirer et renforcer la graine magnétique. Par conséquent, le champ magnétique grandit et gagne en force. À la fois, ce processus génère beaucoup plus de chaleur dans le disque protoplanétaire qu'on ne le supposait auparavant. Plus surprenant pour les chercheurs, cependant, était le fait que la dynamo semble avoir une influence significative sur le mouvement de la matière. La dynamo le pousse vigoureusement à la fois vers l'intérieur, s'accumuler sur l'étoile, et vers l'extérieur, loin du disque. Cela signifie que le disque évolue beaucoup plus rapidement que les théories précédentes ne l'avaient suggéré.

L'interaction augmente l'accrétion et génère des vents

"La simulation montre que l'énergie générée par l'interaction du champ magnétique en formation avec la gravité agit vers l'extérieur et entraîne un vent qui projette de la matière hors du disque, ", dit Mayer. Cela entraînerait la perte de 90 pour cent de la masse en moins d'un million d'années. " Si cela est vrai, ce serait une prédiction souhaitable, parce que de nombreux disques protoplanétaires étudiés avec des télescopes vieux d'un million d'années ont environ 90 pour cent de masse inférieure à celle prédite par les simulations de formation de disques jusqu'à présent, " explique l'astrophysicien. Au final, le retrait d'énergie conduit à l'effondrement de la matière et à la perte de rotation. Les chercheurs espèrent désormais pouvoir observer les vents et l'éjection de matière dans les premières phases de vie des disques protoplanétaires avec des télescopes extrêmement puissants comme l'ALMA au Chili ou le réseau de kilomètres carrés actuellement en construction.

Les chercheurs pensent que, par leur travail, ils ont découvert un tout nouveau mécanisme de friction, généré par l'interaction du champ magnétique et de l'IG, ce qui érode considérablement le moment cinétique du disque. "Grâce au puissant moteur d'ondes de densité en spirale, notre nouveau mécanisme de friction semble encore plus efficace dans les régions denses du disque protoplanétaire dans lesquelles il y a moins de particules chargées pour entretenir le champ magnétique, " Dit Deng. "Ceci est différent de tous les autres mécanismes proposés précédemment, qui ne pourrait pas soutenir le champ magnétique dans de telles régions. "

Deng fait maintenant des recherches à l'Université de Cambridge en tant que SNF Fellow. Le nouvel objectif est de justifier les résultats de la recherche, par exemple en les utilisant - également avec d'autres groupes de recherche - pour la simulation de différentes structures cosmiques, comme les premiers grands trous noirs se formant dans l'univers à l'aube de la formation des galaxies.