M81 est une galaxie spirale située à 11,8 millions d'années-lumière de la Voie lactée dans la constellation de la Grande Ourse. Ses bras spiraux sont bien visibles en fausses couleurs sur cette image composite issues des observations dans le visible, l'infrarouge et l'ultraviolet faites avec Hubble, Spitzer et Galex. © Nasa

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Surprise ! Un disque protoplanétaire qui ressemble à une galaxie spirale

ActualitéClassé sous :Astronomie , formation des planètes , ALMA

En étudiant de près un disque protoplanétaire autour d'une jeune étoile avec le radiotélescope Alma, des astronomes y ont découvert des bras spiraux. C'est la première fois que l'on observe ce genre de structures, tout à fait comparables, mais à une échelle très différente, à celles qui caractérisent certaines galaxies. Ces bras sont la manifestation de phénomènes qui pourraient expliquer une énigme de la cosmogonie : la barrière du mètre.

La théorie de la formation des planètes à partir d'un disque protoplanétaire de poussières et de gaz est ancienne puisqu'elle remonte à Kant et Laplace il y a plus de deux siècles. Le télescope Hubble, comme d'autres instruments, a par la suite montré que de tels disques existent autour de jeunes étoiles. Mais pour comprendre en profondeur la naissance des cortèges planétaires, il fallait gagner en résolution et changer de longueurs d'onde pour atteindre le domaine millimétrique avec Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array). Cet instrument a offert une surprenante découverte à une équipe internationale d'astronomes qui examinait le disque protoplanétaire entourant une jeune étoile, Elias 2-27, située à environ 450 années-lumière, dans la constellation d'Ophiucus.

Agée d'environ un million d'années seulement, elle fait partie d'un nuage moléculaire constituant en fait une nébuleuse en émission, IC 4604, encore appelée Rho Ophiuchi. Comme l'expliquent les chercheurs dans un article publié dans Science, ils ont pu mettre en évidence une structure spirale dans le disque rappelant les galaxies dotées de bras spiraux, comme notre Voie lactée. Dans les deux cas, il s'agirait d'ondes de densité comparables à la formation de vagues à la surface de l'océan. En effet, les poussières et les gaz mais aussi les étoiles à l'échelle d'une galaxie se comportent comme un fluide.

Le complexe nébuleux de Rho Ophiuchi contient des régions poussiéreuses chauffées par de jeunes étoiles. En zoomant sur l'une d'entre elles avec le radiotélescope Alma, les astronomes ont découvert des bras spiraux dans un nuage protoplanétaire. Ces bras occupent une région plus grande que celle délimitée par la ceinture de Kuiper (Kuiper Belt) de notre Système solaire. © Nasa, Spitzer, Caltech-JPL, Harvard University, U. Arizona (image de gauche ), B. Saxton (NRAO, AUI, NSF); Alam (ESO, NAOJ, NRAO), L. Pérez (MPIfR)

Des bras spiraux pour faire naître les planètes

C'est la première fois que de telles ondes de densité sont ainsi observées dans un disque protoplanétaire. Alma a révélé deux bras spiraux qui s'étendent à plus de 10 milliards de kilomètres d'Elias 2-27, c'est-à-dire jusqu'à une distance supérieure à celle de la ceinture de Kuiper de notre Système solaire. La présence de ces ondes excite les spécialistes de la cosmogonie cherchant à comprendre la naissance des exoplanètes car elle montre l'existence d'instabilités qui pourraient peut-être permettre de résoudre l'énigme de la « barrière du mètre ».

Pour expliquer la naissance des planètes à partir de poussières s'agglomèrant, un peu comme grossit une boule de neige, la présence du gaz dans un disque protoplanétaire devient importante pour dépasser le stade de petit cailloux. Ce n'est qu'ensuite que se forment des blocs rocheux dépassant le kilomètre, qui vont entrer en collision sous l'effet de la gravitation pour donner des embryons de planètes. Comme nous l'avait expliqué l'astronome Pierre Barge dans le cas de la formation du Système solaire, qui sert de modèle à celle des autres systèmes planétaires : « On sait que toutes les particules solides dérivent progressivement vers le Soleil dans le disque protoplanétaire. C'est un phénomène lié à la différence systématique de vitesse qui existe entre les particules et le gaz. Il existe une force de pression dans le gaz, qui tend à tourner plus lentement que les particules. En conséquence, les particules frottent systématiquement sur le gaz. L'effet est négligeable pour les plus petites (qui sont « collées » dans le gaz) et pour les très grosses (trop massives pour être sensibles au gaz). En fait, seules les particules de tailles intermédiaires (environ un mètre) sont exposées à une friction ayant des conséquences importantes sur leurs mouvements. Elles tombent rapidement vers leur étoile. Par exemple, une particule lâchée à la distance de Jupiter se retrouve sur le Soleil en moins de 1.000 ans ».

Pour résoudre ce problème, Pierre Barge et son collègue Joël Sommeria avait postulé l'existence de tourbillons piégeant les poussières et les « cailloux » dans un disque protoplanétaire et permettant donc à des blocs de matière de plus d'un mètre de se former en grandes quantités. Il nous avait expliqué leur idée en 2013 quand Alma avait permis de découvrir une structure ressemblant à l'un de ces tourbillons dans un disque protoplanétaire.

L'existence de bras spiraux dans un disque protoplanétaire pourrait peut-être servir aussi à franchir la barrière du mètre. Mais d'autres observations, jointes à des travaux théoriques, sont encore nécessaires pour en être sûr. En effet, ces bras spiraux pourraient aussi être la conséquence de la présence d'exoplanètes déjà formées dans le disque entourant Elias 2-27.

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