Vue d'artiste d'une planète géante en formation. Crédit :NASA, ESA, STScI, Joseph Olmsted (STScI)
Comment se forment les planètes ? Pendant de nombreuses années, les scientifiques ont cru comprendre ce processus en étudiant le seul exemple auquel nous avions accès :notre propre système solaire.
Cependant, la découverte de planètes autour d'étoiles lointaines dans les années 1990 a clairement montré que l'image était beaucoup plus compliquée que nous ne le savions.
Dans de nouvelles recherches, nous avons repéré une géante gazeuse chaude semblable à Jupiter en train de se former autour d'une étoile à environ 500 années-lumière de la Terre.
Ce rare cliché d'une planète en train de se former, attirant la matière d'un vaste disque de poussière et de gaz tourbillonnant autour de son soleil, lui aussi en bas âge, a ouvert une fenêtre sur des mystères qui ont intrigué les astronomes pendant des années.
Un triomphe scientifique ?
L'enquête scientifique sur les origines de la Terre et des autres planètes de notre système solaire a commencé au milieu des années 1700.
S'appuyant sur les travaux du penseur suédois Emanuel Swedenborg, le célèbre philosophe allemand Immanuel Kant a proposé que le Soleil et sa petite famille planétaire soient tous issus d'un grand nuage primordial en rotation; Kant a appelé cela un "Urnebel", nébuleuse en allemand.
Cette idée a ensuite été affinée par le polymathe français Pierre Laplace, et elle a depuis subi de nombreux ajouts et révisions, mais les scientifiques modernes pensent qu'elle était fondamentalement sur la bonne voie. Le descendant moderne de l'hypothèse de Kant, maintenant complété par une physique détaillée, peut expliquer la plupart des caractéristiques observées de notre système solaire.
Nous pouvons maintenant exécuter des simulations informatiques avec tous les bons paramètres, et une belle réplique numérique de notre système solaire émergera. Il aura les bons types de planètes sur les bonnes orbites qui tourneront dans l'ordre d'une horloge, tout comme la vraie chose.
Ce modèle est une synthèse triomphale des fils de la géologie, de la chimie, de la physique et de l'astronomie, et il semblait avoir couvert les bases. Jusqu'à ce que les astronomes le confrontent à des planètes de l'extérieur notre système solaire.
"Nuages primordiaux" de poussière et de gaz qui forment des planètes, dans la nébuleuse d'Orion. Crédit :C.R. O'Dell/Rice University ; NASA
Au-delà du système solaire
Lorsque les premiers systèmes de planètes en orbite autour d'étoiles lointaines ont été découverts au milieu des années 1990, il y a eu une controverse et une consternation immédiates. Les nouvelles planètes ne correspondaient pas du tout au modèle :il s'est avéré que le reste du cosmos ne se souciait pas tellement de ce qui se passait ici autour de notre petit soleil.
Depuis lors, il y a eu une prise de conscience naissante qu'il peut y avoir différentes voies pour former un système planétaire. Parmi les milliers de planètes en orbite autour d'autres étoiles qui peuplent désormais nos catalogues, la famille de planètes de notre Soleil commence même à paraître un peu inhabituelle.
Malgré cela, l'un des composants physiques les plus élémentaires de la machinerie de construction planétaire qui, selon nous, est responsable de la formation de planètes gazeuses géantes comme Jupiter et Saturne, a résisté à l'épreuve du temps :l'idée d'"accrétion du noyau".
L'accrétion du noyau commence par les gaz et les grains de poussière microscopiques censés constituer le nuage primordial typique de Kant (qui a la forme d'un disque aplati en rotation avec l'étoile naissante au centre). Les grains de poussière s'agglutinent en grains successivement plus gros, puis en cailloux, en rochers et en cascade jusqu'aux bébés planètes ou "planétésimaux".
Lorsqu'un tel amas devient assez grand, il atteint un point de basculement. L'attraction gravitationnelle aide maintenant la planète embryonnaire à aspirer rapidement du gaz, de la poussière et d'autres amas, dégageant sa trajectoire orbitale et creusant un espace circulaire dans le disque.
C'est l'un des triomphes emblématiques de l'astronomie moderne que exactement les types de "disques vides" prédits par la théorie sont maintenant observés et étudiés dans le cosmos.
Une grosse crise
Cependant, il y a certaines choses que l'accrétion de base ne peut pas expliquer. Des planètes massives ont été repérées en orbite loin de leurs étoiles hôtes, dans les étendues froides lointaines.
Selon la théorie de l'accrétion centrale, de telles planètes ne devraient pas exister. Ils sont trop éloignés, où les orbites se déplacent trop lentement pour faire fonctionner l'entreprise de construction de la planète.
Un nouveau modèle "d'effondrement gravitationnel" a été formulé pour expliquer ces planètes lointaines massives inattendues. L'idée de base est que si le disque primordial lui-même a suffisamment de masse, l'ensemble peut devenir instable et s'effondrer pour former rapidement des planètes dans un grand crunch.
Cette nouvelle image semblait pouvoir expliquer les planètes aberrantes, mais comme tous les exemples connus étaient très anciens (généralement des milliards d'années), cette théorie n'est restée qu'une théorie. Jusqu'ici.
Le disque autour d'AB Aurigae. La planète en formation est la tache brillante en bas. Crédit :Currie et al. / Astronomie de la nature, fourni par l'auteur
Une planète est née
L'année dernière, nous et nos collègues avons repéré une planète massive, toujours en cours de formation, autour d'une étoile à quelque 500 années-lumière de la Terre.
Cette étoile, nommée AB Aurigae, est devenue célèbre dans les cercles d'astronomie pour le beau disque en spirale complexe qui l'entoure.
Les amas et les vagues observés dans ce disque (et dans d'autres similaires) sont cohérents avec ce que l'on pourrait voir si un effondrement gravitationnel se produisait. Mais jusqu'à présent, il manquait la preuve d'une planète en formation.
Cette planète nouvellement découverte - surnommée AB Aurigae b - est intégrée dans un halo épais et tourbillonnant de poussière et de gaz, au milieu des spirales et des vagues révélatrices signifiant un effondrement gravitationnel. La planète est environ 93 fois plus éloignée de son étoile que la Terre ne l'est du Soleil, bien en dehors de la région dans laquelle la théorie traditionnelle de l'accrétion du noyau pourrait expliquer sa formation.
Cette découverte fournit donc des preuves solides pour la théorie alternative de l'effondrement gravitationnel.
La découverte a été faite à l'aide d'observations du télescope Subaru à Mauna Kea, Hawaiʻi, ainsi que du télescope spatial Hubble.
Alimentée par l'énergie du processus de formation violent et rapide, la planète est suffisamment chaude pour briller (environ 2000 ℃). C'est cette lueur qui trahit la présence de la planète. Au même moment, le gaz et la poussière tourbillonnant autour de la planète en formation sont illuminés par la lumière bleutée de l'étoile centrale d'AB Aurigae.
Télescopes plus grands et meilleurs
Cette nouvelle découverte fournit une pièce essentielle du puzzle de la formation des planètes, mais l'affaire n'est en aucun cas close.
Au fur et à mesure que nos télescopes grossissent et que nos méthodes d'observation deviennent plus avancées, nous nous attendons à voir de nombreuses autres planètes en formation capturées à tous les stades de leur développement, ainsi que des planètes matures entièrement formées comme la Terre.
Et finalement, nous pouvons espérer répondre aux grandes questions :comment une gamme aussi étrange et diversifiée de systèmes planétaires s'est-elle formée à travers la galaxie, quelles sont les conditions sur ces nouveaux mondes, et comment notre propre petit système solaire s'intègre-t-il parmi eux ? ?
