Au cours des 25 dernières années, les scientifiques ont découvert plus de 4000 planètes au-delà des frontières de notre système solaire. Des mondes rocheux et aquatiques relativement petits aux géantes gazeuses extrêmement chaudes, les planètes présentent une variété remarquable. Cette variété n'est pas inattendue. Les modèles informatiques sophistiqués, avec lesquels les scientifiques étudient la formation des planètes, engendrent également des planètes très différentes. Ce que les modèles ont plus de mal à expliquer, c'est la distribution de masse observée des planètes découvertes autour d'autres étoiles. La majorité est tombée dans la catégorie des masses intermédiaires – des planètes avec des masses de plusieurs masses terrestres à environ celle de Neptune. Même dans le contexte du système solaire, la formation d'Uranus et de Neptune reste un mystère. Scientifiques des universités de Zurich et de Cambridge, associé au PRN PlanetS suisse, ont maintenant proposé une explication alternative soutenue par des simulations complètes. Leurs résultats ont été publiés dans la revue scientifique Astronomie de la nature .

Deux forces opposées...

"Lorsque les planètes se forment à partir du soi-disant disque protoplanétaire de gaz et de poussière, les instabilités gravitationnelles pourraient être le mécanisme moteur, " Lucio Mayer, co-auteur de l'étude et professeur d'astrophysique computationnelle à l'Université de Zurich, et membre du PRN PlanetS, explique. Dans ce processus, la poussière et le gaz dans le disque s'agglutinent sous l'effet de la gravité et forment des structures en spirale denses. Ceux-ci se transforment ensuite en blocs de construction planétaires et finalement en planètes.

L'échelle à laquelle ce processus se produit est très grande, couvrant l'échelle du disque protoplanétaire. "Mais sur des distances plus courtes - l'échelle des planètes isolées - une autre force domine :celle des champs magnétiques se développant le long des planètes, " Mayer précise. Ces champs magnétiques remuent le gaz et la poussière du disque et influencent ainsi la formation des planètes. " Pour obtenir une image complète du processus de formation planétaire, il est donc important de ne pas seulement simuler la structure en spirale à grande échelle dans le disque. Les champs magnétiques à petite échelle autour des blocs de construction planétaires en croissance doivent également être inclus, " dit l'auteur principal de l'étude, ancien doctorant de Mayer et maintenant chercheur à l'Université de Cambridge, Hongping Deng.

... qui sont difficiles à saisir simultanément

Cependant, les différences d'échelle et de nature de la gravité et du magnétisme rendent les deux forces très difficiles à intégrer dans le même modèle de formation planétaire. Jusque là, des simulations informatiques qui ont bien capturé les effets de l'une des forces, généralement mal avec l'autre. Réussir, l'équipe a développé une nouvelle technique de modélisation. Cela nécessitait une expertise dans un certain nombre de domaines différents :ils avaient besoin d'une compréhension théorique approfondie de la gravité et du magnétisme. Puis, les chercheurs ont dû trouver un moyen de traduire la compréhension en un code capable de calculer efficacement ces forces contrastées à l'unisson. Finalement, en raison du nombre immense de calculs nécessaires, il fallait un ordinateur puissant, comme le « Piz Daint » du Centre national suisse de calcul intensif (CSCS). « Outre les connaissances théoriques et les outils techniques que nous avons développés, nous étions donc aussi dépendants de l'avancement de la puissance de calcul, " dit Lucio Mayer.

Un puzzle vieux de plusieurs décennies résolu ?

Contre vents et marées, tout est arrivé au bon moment et a permis une percée. "Avec notre modèle, nous avons pu montrer pour la première fois que les champs magnétiques empêchent les planètes en croissance de continuer à accumuler de la masse au-delà d'un certain point. Par conséquent, les planètes géantes deviennent plus rares et les planètes de masse intermédiaire beaucoup plus fréquentes, comme ce que nous observons en réalité, ", explique Hongping Deng.

"Ces résultats ne sont qu'une première étape, mais ils montrent clairement l'importance de prendre en compte davantage de processus physiques dans les simulations de formation de planètes. Notre étude permet de comprendre les voies potentielles de formation de planètes de masse intermédiaire très courantes dans notre galaxie. Cela nous aide également à comprendre les disques protoplanétaires en général, " Ravit Helled, co-auteur de l'étude et professeur d'astrophysique théorique à l'Université de Zurich et membre du PRN PlanetS, conclut.