Il existe un débat concernant la formation ou non de disques protoplanétaires autour des étoiles massives. De récents progrès avec les radiotélescopes d'Alma viennent d'apporter des débuts de réponse à cette question. Ils sont partiellement surprenants.

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La théorie cosmogonique du Système solaireSystème solaire remonte au XVIIIe siècle et on la doit initialement à Emmanuel Kant, en 1755, et Pierre-Simon de Laplace, en 1796. Elle suppose une nébuleusenébuleuse primitive de gazgaz et de poussières qui s'effondre sous l'effet de son propre champ de gravitationgravitation. Initialement en rotation, la conservation du moment cinétiquemoment cinétique de cette nébuleuse imposée par les lois de la mécanique, et plus généralement ces mêmes lois vont la conduire à s'aplatir pour former un disque protoplanétaire où vont naître les planètes. Au centre, une protoétoileprotoétoile sphérique de plus en plus dense doit alors aussi se former. Au cours du XIXe siècle, KelvinKelvin et Helmholtz vont montrer que la contraction gravitationnelle de cette protoétoile va la chauffer considérablement et donc la rendre lumineuse.

Les observations du XXe siècle combinées aux simulations numériquessimulations numériques et analyses des données rendues possibles par des ordinateursordinateurs, et plus encore depuis le début du XXIe siècle, vont confirmer et permettre de considérablement développer les idées de Kant et Laplace en démontrant notamment l'existence des disques protoplanétairesdisques protoplanétaires. Mieux, elles ont montré que des exoplanètesexoplanètes s'y formaient bien. On sait maintenant également que le mécanisme de Kelvin-Helmholtz va conduire les températures au sein des protoétoiles à devenir si élevées que des réactions thermonucléaires (par exemple selon les cycles proton-proton et CNO) libérant des quantités d'énergieénergie bien plus importantes que la contraction gravitationnelle des protoétoiles vont prendre naissance.


Alma et les disques protoplanétaires. 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 ». © The National Radio Astronomy Observatory NRAO

Des étoiles trop lumineuses pour la formation de disques protoplanétaires ?

L'un des outils d'observation dont ne pouvait rêver ni Kant ni Laplace n'est autre que l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) et, depuis sa mise en service, sa vision dans le domaine des ondes radioradio millimétriques et submillimétriques a livré bien des images de disques protoplanétaires. Aujourd'hui, un groupe de chercheurs révèle l'avoir utilisé pour tenter de percer une énigme concernant l'existence ou non de tels disques autour des étoilesétoiles massives, comme on peut s'en rendre compte en lisant un article en libre accès sur arXiv.

La majorité des étoiles de la Voie lactéeVoie lactée sont des naines, comme Proxima Centauri ou le SoleilSoleil. Leur vie se compte en milliards et dizaines de milliards d'années, voire bien plus si elles sont assez peu massives. On estime ainsi qu'avec environ 0,16 fois la massemasse du Soleil, l’étoile de Barnard devrait rester plus de 2.000 milliards d'années sur la séquence principaleséquence principale avant de devenir une naine blanchenaine blanche. A contrario, des étoiles contenant plusieurs dizaines de fois la masse du Soleil, comme les étoiles O, ne vont vivre que quelques millions d'années tout au plus.

Or, voilà le problème avec ce genre d'astreastre. Du fait de leurs grandes masses, les réactions thermonucléaires lors de la contraction de protoétoiles aussi massives vont se déclencher très vite, avant que le processus d'accrétionaccrétion de matièrematière sur ces objets et leurs éventuels disques protoplanétaires ne soient sur le point de se terminer. Libérant bien plus d'énergie que les naines, du fait des plus hautes températures atteintes dans leur cœur (les vitessesvitesses des réactions du cycle CNOcycle CNO par exemple sont proportionnelles à T16), on pouvait se demander si le flux de rayonnement ou les ventsvents stellaires générés en réponse, une fois la combustioncombustion nucléaire commencée, allait continuer à permettre l'existence de disques protoplanétaires. De fait, on n'avait jusqu'à présent même pas démontré simplement l'occurrence de ces disques autour des étoiles massives.


Cette conception d'artiste illustre le processus observé dans la formation d'étoiles beaucoup plus massives que le Soleil. Dans le cas des jeunes étoiles de quelques masses solaires, la matière accrétée forme un disque en orbite stable et régulier qui génère des jets de matière. Mais avec des étoiles possédant par exemple plus de 20 fois la masse du Soleil, l'accrétion de matière sur le disque se fait de façon non sphérique et irrégulière, ce qui fait qu'elle finit rapidement par déformer un disque d'origine, jusqu'à modifier l'orientation des jets. © Goddi, Ginsburg, et al., S. Dagnello, B. Saxton, NRAO/AUI/NSF

Une accrétion chaotique et asymétrique

Les observations d'Alma se sont montrées surprenantes. La résolutionrésolution du réseau de radiotélescopes faisant des progrès d'année en année, les astrophysiciensastrophysiciens ont fini par gagner un facteur 10 avec cet instrument leur permettant de tenter de répondre à leurs questions concernant les disques autour des étoiles massives, en observant de plus près trois très jeunes protoétoiles de masses élevées dans une région de formation d'étoiles appelée W51, à environ 17.000 années-lumièreannées-lumière du Système solaire en direction de la constellationconstellation de l'Aigle.

W51 s'étend sur environ 350 années-lumière, mais elle est presque invisible pour les télescopestélescopes qui collectent la lumière visible car cette lumière est bloquée par des nuagesnuages ​​de poussière interstellairespoussière interstellaires qui se trouvent entre W51 et la Terre. Alors qu'OrionOrion contient quatre étoiles de type O connues - les étoiles les plus massives de l'univers -, W51 en contient plus de 30.

Les trois protoétoiles observées avec Alma vont devenir des étoiles O, mais les données collectées montrent que l'accrétion ne se fait pas de façon uniforme et stable. Au lieu de se faire avec une symétrie quasi-sphérique comme c'est le cas avec les protoétoiles naines, on constate la présence de plusieurs courants de matière variables dans le temps et l'espace, de sorte qu'au final l'accrétion apparaît comme très chaotique, comme l'explique la vidéo ci-dessus.

Par contre, des jets de matière ont été mis en évidence, ce qui prouve l'existence de disques d'accrétiondisques d'accrétion, mais ils restent encore inobservés directement, étant plus petits que prévu. En fait, tous les astrophysiciens n'ont pas été surpris par les images d'Alma car le scénario observé semble conforme à celui prédit par certaines simulations numériques sur ordinateur.