Une nouvelle planète commence sa vie dans un cercle tournant de gaz et de poussière, un berceau appelé disque protostellaire. Mes collègues et moi avons utilisé des simulations informatiques pour montrer que les planètes gazeuses nouveau-nées dans ces disques auront probablement des formes étonnamment aplaties. Cette découverte, publiée dans Astronomy and Astrophysics Letters , pourrait ajouter à notre image de la façon exacte dont les planètes se forment.
Observer les protoplanètes qui viennent de se former et qui se trouvent encore à l’intérieur de leurs disques protostellaires est extrêmement difficile. Jusqu'à présent, seules trois jeunes protoplanètes ont été observées, dont deux dans le même système, PDS 70.
Nous devons trouver des systèmes jeunes et suffisamment proches pour que nos télescopes puissent détecter la faible lumière de la planète elle-même et la distinguer de celle du disque. L’ensemble du processus de formation planétaire ne dure que quelques millions d’années, ce qui n’est rien de plus qu’un clin d’œil à l’échelle astrophysique. Cela signifie que nous devons avoir de la chance pour les attraper en train de se former.
Notre groupe de recherche a effectué des simulations informatiques pour déterminer les propriétés des protoplanètes gazeuses dans diverses conditions thermiques dans les berceaux des planètes.
Les simulations ont une résolution suffisante pour pouvoir suivre très tôt l'évolution d'une protoplanète dans le disque, alors qu'il ne s'agit que d'une simple condensation au sein du disque. De telles simulations sont exigeantes en termes de calcul et ont été exécutées sur DiRAC, l'installation de calcul intensif d'astrophysique du Royaume-Uni.
En règle générale, plusieurs planètes se forment au sein d’un disque. L'étude a révélé que les protoplanètes ont une forme connue sous le nom de sphéroïdes aplatis, comme les Smarties ou les M&M's, plutôt que d'être sphériques. Ils se développent en aspirant le gaz principalement par leurs pôles plutôt que par leurs équateurs.
Techniquement, les planètes de notre système solaire sont également des sphéroïdes aplatis mais leur aplatissement est faible. Saturne a un aplatissement de 10 %, Jupiter de 6 %, tandis que la Terre n'a que 0,3 %.
En comparaison, l’aplatissement typique des protoplanètes est de 90 %. Un tel aplatissement affectera les propriétés observées des protoplanètes et doit être pris en compte lors de l'interprétation des observations.
La théorie la plus largement acceptée concernant la formation des planètes est celle de « l’accrétion du noyau ». Selon ce modèle, de minuscules particules de poussière plus petites que le sable entrent en collision les unes avec les autres, se regroupent et se transforment progressivement en corps de plus en plus gros. C'est effectivement ce qui arrive à la poussière sous votre lit lorsqu'il n'est pas nettoyé.
Autrefois un noyau de poussière aux formes suffisamment massives, il aspire le gaz du disque pour former une planète géante gazeuse. Cette approche de bas en haut prendrait quelques millions d'années.
L’approche opposée, de haut en bas, est la théorie de l’instabilité des disques. Dans ce modèle, les disques protostellaires qui entourent les jeunes étoiles sont gravitationnellement instables. En d'autres termes, ils sont trop lourds pour être entretenus et se fragmentent donc en morceaux, qui évoluent en planètes.
La théorie de l’accrétion du noyau existe depuis longtemps et peut expliquer de nombreux aspects de la formation de notre système solaire. Cependant, l'instabilité du disque peut mieux expliquer certains des systèmes exoplanétaires que nous avons découverts au cours des dernières décennies, comme ceux dans lesquels une planète géante gazeuse orbite très très loin de son étoile hôte.
L'attrait de cette théorie réside dans le fait que la formation des planètes se produit très rapidement, en quelques milliers d'années, ce qui est cohérent avec les observations suggérant que les planètes existent dans de très jeunes disques.
Notre étude s’est concentrée sur les planètes géantes gazeuses formées via le modèle d’instabilité des disques. Ils sont aplatis parce qu'ils se forment à partir de la compression d'une structure déjà plate, le disque protostellaire, mais aussi à cause de leur rotation.
Bien que ces protoplanètes soient globalement très aplaties, leurs noyaux, qui finiront par évoluer vers les planètes géantes gazeuses telles que nous les connaissons, sont moins aplatis – seulement d’environ 20 %. C'est seulement deux fois l'aplatissement de Saturne. Avec le temps, ils devraient devenir plus sphériques.
Les planètes rocheuses, comme la Terre et Mars, ne peuvent pas se former via l’instabilité du disque. On pense qu’ils se forment en assemblant lentement des particules de poussière en cailloux, roches, objets de la taille d’un kilomètre et éventuellement en planètes. Ils sont trop denses pour être sensiblement aplatis même lorsqu’ils viennent de naître. Il n'y a aucune possibilité que la Terre ait été aplatie à un tel degré lorsqu'elle était jeune.
Mais notre étude confirme le rôle de l'instabilité des disques dans le cas de certains mondes de certains systèmes planétaires.
Nous passons désormais de l’ère des découvertes d’exoplanètes à l’ère de la caractérisation des exoplanètes. De nombreux nouveaux observatoires devraient devenir opérationnels. Ceux-ci aideront à découvrir davantage de protoplanètes intégrées dans leurs disques. Les prédictions issues de modèles informatiques sont également de plus en plus sophistiquées.
La comparaison entre ces modèles théoriques et les observations nous rapproche de plus en plus de la compréhension des origines de notre système solaire.
Fourni par The Conversation
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