La mythique scène de Star Wars. © Lucasfilm
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La formation de la Tatooine de Star Wars a été simulée sur ordinateur

ActualitéClassé sous :Astronomie , étoile , astrophysique

Une douzaine d'exoplanètes où l'on devrait pouvoir observer des doubles couchers de soleil ont été découvertes ces dernières années dans la Voie lactée avec le défunt satellite Kepler. On cherche à modéliser la formation de ces « Tatooines » depuis quelques temps et de nouveaux résultats à ce sujet viennent d'être obtenus par deux astrophysiciens, accréditant l'idée que Star Wars n'est pas seulement de la SF, voire du fantastique.

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[EN VIDÉO] Un disque protoplanétaire déchiré par ses trois étoiles  L'espace abrite autant de délicats spectacles que d'événements violents. En témoignent les observations faites à l'aide du VLT et d'Alma, dévoilant les coulisses de la naissance des planètes. 

Déjà en 2008, l'astronome Karl Stapelfeldt faisait savoir dans une vidéo de la Nasa qu'avec ses collègues, il avait trouvé des signes indirects de l'existence de planètes rocheuses associées à des étoiles doubles. Ce sont des données issues des observations dans l'infrarouge du satellite Spitzer qui avaient permis aux chercheurs d'aboutir à cette conclusion. Les capteurs de l'instrument en orbite montraient clairement la présence de poussières devant provenir de collisions entre astéroïdes.

Or, qui dit astéroïdes dit presque nécessairement aussi -- selon les modèles déjà bien développés à l'époque de la formation planétaire autour d'une seule étoile, voir la vidéo ci-dessous dans le cas du Système solaire --, la présence justement d'exoplanètes rocheuses ayant laissé après leur naissance un disque de débris. On observe de tels disques autour des étoiles Fomalhaut et β Pictoris par exemple, étoiles dont on sait qu'elles possèdent des exoplanètes puisqu’on les a imagées directement.

Mojo, pour Modeling the origin of jovian planets, c'est-à-dire modélisation de l'origine des planètes joviennes, est un projet de recherche qui a donné lieu à une série de vidéos présentant la théorie de l'origine du Système solaire et en particulier des géantes gazeuses. On les doit à deux spécialistes réputés, Alessandro Morbidelli et Sean Raymond. Cette théorie peu se transposer à la formation des exoplanètes. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Laurence Honnorat

Une formation planétaire inhibée par le chaos ?

La découverte n'avait rien d'évident car on pouvait se poser la question de la stabilité des disques protoplanétaires pouvant entourer des étoiles individuelles faisant partie d'un système binaire notamment. Ces disques pouvaient-ils d'ailleurs permettre aux processus connus dans le cas du Système solaire de passer de grains de poussières qui s'agglomèrent pour donner des cailloux, à des embryons planétaires de plus 1.000 km de diamètre formés par accrétion de planétésimaux d'au moins 10 km de diamètre ? On sait qu'en mécanique céleste des phénomènes chaotiques peuvent survenir dès que l'on considère le cas d'au moins trois corps célestes, chacun subissant les champs de gravitation des autres.

L'existence d'exoplanètes, peut-être habitables pour certaines d'entre elles au point que l'on puisse y observer des doubles couchers de soleil, a pourtant par la suite été confirmée par les observations d'un autre œil de l'Humanité en orbite : le chasseur d’exoplanètes de la Nasa nommé Kepler, hélas fermé depuis, tout comme dans le cas de Spitzer.

Une planète habitable avec des doubles couchers de soleil, c'est précisément ce que Star Wars mettait en scène avec la fameuse planète Tatooine. Aujourd'hui, alors que l'on sait qu'une telle scène ne relève plus de la science-fiction, les astrophysiciens en sont à transposer les savants modèles numériques de la genèse des planètes du Système solaire au cas des disques protoplanétaires associés aux étoiles doubles.

On peut s'en convaincre avec une publication en libre accès dans le célèbre journal Astronomy & Astrophysics, exposant les travaux de Roman Rafikov du Département de mathématiques appliquées et de physique théorique de l'Université de Cambridge, également membre de l'Institute for Advanced Study à Princeton, travaux accomplis en collaboration avec Kedron Silsbee de l'Institut Max Planck de physique extraterrestre.

La vidéo de la Nasa datant de 2008, hélas de qualité médiocre, dans laquelle Karl Stapelfeldt annonce la découverte de Spitzer concernant l'existence de Tatooines. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Jet Propulsion Laboratory, Nasa

Des exoplanètes pour Alpha Centauri AB ?

Les deux astrophysiciens ont considéré le cas d'étoiles doubles dans une configuration similaire à celle d'Alpha Centauri A et B, qui sont des étoiles semblables au Soleil (classes G et K) et qui forment l'étoile binaire Alpha Centauri AB, le système stellaire le plus proche du système solaire. Il est situé à 4,37 années-lumière du Soleil mais on ne sait pas encore si des exoplanètes existent autour de l'une de ces étoiles. Alpha Centauri AB semble former un système triple avec la naine rouge Alpha Centauri C, plus connue sous le nom de Proxima Centauri et qui semble bel et bien posséder deux exoplanètes, elle.

Les simulations portent donc sur un système contenant deux étoiles de type solaire dont l'une tiendrait lieu du Soleil et l'autre serait en orbite autour de la première à la place d'Uranus, avec une période de révolution d'environ 100 ans. Un disque protoplanétaire contenant du gaz de la poussière sous forme silicatée, carbonée ou glacée existant autour d'une de ces étoiles.

Dans le cas d'une cosmogonie planétaire comme celle du Système solaire, les mouvements des particules, poussière, cailloux, bloc rocheux etc. sont suffisamment lents pour que les cas des collisions de type boule de neige soient dominants devant les cas où les collisions conduisent à la fragmentation des corps et donc, inhibent la croissance en direction des embryons de planètes.

Mais, dans le cas des systèmes doubles, les perturbations gravitationnelles des étoiles agitent les disques protoplanétaires comme si l'on battait des œufs en neige de sorte que les vitesses relatives de collision sont plus élevées.

Les simulations montrent finalement que l'apparition d'embryons n'est possible que si la formation planétaire permet d'atteindre des planétésimaux de 10 kilomètres de diamètre et si le disque protoplanétaire initial reste relativement circulaire pendant la formation de ces embryons.

Pour arriver à ce résultat, les simulations ont dû mieux prendre en compte les forces de frottement du gaz dans un tel disque mais surtout l'effet du champ de gravitation du disque de poussière et de gaz sur les petits corps célestes. C'est ce dernier effet, non négligeable, qui tend à protéger la stabilité du disque des perturbations gravitationnelles de la seconde étoile en limitant l'apparition d'instabilités chaotiques. Finalement, des planétésimaux dans certaines parties du disque peuvent se rencontrer à des vitesses raisonnables pour que la collision conduise à un corps de plus grande taille.

Pour en savoir plus

Comment des planètes comme « Tatooine » naissent dans des systèmes avec trois soleils

Article de Emma Hollen publié le 07 septembre 2020

L'espace abrite autant de délicats spectacles que d'événements violents. En témoignent les observations faites avec le VLT et Alma, dévoilant les coulisses de la naissance des planètes autour d'un système multiple.

Bien que le réseau d'orbites formant notre Système solaire ne soit pas parfaitement plan, force est de reconnaître qu'il est raisonnablement acceptable de se représenter ses planètes comme gravitant autour du Soleil à la surface d'un disque (ou une assiette). Il n'en va cependant pas toujours ainsi dans d'autres systèmes, en particulier pour ceux dotés d'étoiles multiples. Ainsi, les chercheurs ont pu constater que le jeune GW Orionis, un trio d'étoiles situé à plus de 1.300 années-lumière, était entouré d'un disque proto-planétaire fragmenté, formant des anneaux distincts aux orientations opposées.

Image composite du système triple GW Orionis vu par Alma et l'instrument Sphere du VLT. Les disques protoplanètaires sont déformés par la danse des trois étoiles. © ESO, Exeter, Kraus et al., Alma (ESO/NAOJ/NRAO)

Un déchirement du disque proto-planétaire

« Nous avons constaté que les trois étoiles ne gravitent pas sur le même plan mais que leurs orbites sont désalignées les unes par rapport aux autres, et par rapport au disque », commente Alison Young, membre de l'équipe à l'origine de la découverte. Grâce aux observations du Very Large Telescope (VLT) de l'ESO et du réseau d'antennes Alma à Atacama, mais également grâce à des modélisations informatiques, les chercheurs ont pu confirmer l'hypothèse d'un « effet de déchirement du disque » : les forces gravitationnelles opposées des étoiles participeraient à distendre et finalement briser le disque protoplanétaire qui les entoure.

L'anneau intérieur de GW Orionis : modélisation (à gauche) et observation (à droite). © ESO, L. Calçada, Exeter, Kraus et al.

« Nos images ont révélé un cas extrême, où le disque n'est pas plat du tout, mais distordu et doté d'un anneau disloqué, qui s'est détaché du disque », explique Stefan Kraus, professeur d'astrophysique à l'Université d'Exeter, et auteur principal de l'étude, parue dans la revue Science. Le disque secondaire, situé au plus proche des étoiles, est constitué de l'équivalent de 30 masses terrestres de poussière, à partir de laquelle les chercheurs pensent que de nouvelles planètes pourraient se former. « N'importe quelle planète formée à l'intérieur de ce disque décalé orbitera autour des étoiles sur une orbite complètement oblique. » Avec plus de 50 % des systèmes dotés de deux étoiles ou plus, les chercheurs pensent découvrir d'autres planètes similaires à l'avenir, formées sur des plans obliques à partir d'un disque principal fracturé.

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