Une vue d'artiste d'un disque protoplanétaire autour d'un jeune soleil. Une exoplanète géante a creusé son sillon dans ce disque riche en gaz et poussière en accrétant ces matières. © NAOJ

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Naissance des planètes : un mystère résolu avec les disques protoplanétaires

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La théorie de la formation des planètes suppose l'existence d'un disque protoplanétaire riche en gaz pendant une dizaine de millions d'années tout au plus. Or, les observations montrent des disques similaires parfois beaucoup plus âgés. Le radiotélescope Alma vient de donner une première confirmation d'une théorie proposée pour résoudre cette énigme.

Depuis les théories cosmogoniques visionnaires de Descartes, et surtout Kant et Laplace, nous avons fait des progrès gigantesques dans la théorie de la formation du Système solaire. Le premier grand bond en avant est arrivé dans la seconde moitié du XXe siècle avec les modèles analytiques et numériques de la formation des planètes issus de la théorie de l'accrétion développée initialement par des chercheurs comme le Russe Viktor Safronov et l'États-unien George Wetherill. Le second bond en avant, qui est toujours accompagné des progrès des simulations numériques, vient lui, surtout, des progrès de l’astronomie observationnelle depuis un quart de siècle, qui nous montrent les disques d’accrétion autour de jeunes étoiles dans des pouponnières stellaires, ainsi bien sûr que des exoplanètes.

Mais il est juste de dire que nous ne comprenons pas encore tout dans la cosmogonie des systèmes planétaires. Il reste encore du pain sur la planche pour les chercheurs en planétologie qui sont heureusement aidés dans leurs tentatives d'élucidation de la genèse du cosmos par des instruments comme l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, le grand réseau d'antennes millimétrique/submillimétrique de l'Atacama. Ce radiotélescope géant observant les ondes millimétriques est installé dans le désert d'Atacama dans le nord du Chili ; il est plus connu sous le nom d’Alma.

Le Système solaire est un laboratoire pour étudier la formation des planètes géantes et l'origine de la Vie que l'on peut utiliser conjointement avec le reste de l'Univers, observable dans le même but. MOJO : 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 par deux spécialistes réputés, Alessandro Morbidelli et Sean Raymond. 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

D’après les modèles de formation des planètes, elles commencent à naître dans un disque protoplanétaire riche en gaz et en poussière dont la durée de vie est d’environ 10 millions d’années, après quoi, le gaz s’est largement évaporé sous l’action du rayonnement ultraviolet d’un jeune soleil, mais aussi de ceux dans la pouponnière d'étoiles dans un amas ouvert où il est né. Il laisse alors la place à ce qui est appelé un disque de débris où les embryons de planètes et les planétésimaux continuent à interagir via des collisions, parfois géantes comme celle qui a très probablement été à l’origine de la Lune.

Un bouclier généré par le dégazage de corps semblables aux comètes

Problème, les observations montrent depuis quelque temps qu’un disque avec un contenu appréciable en gaz, plus précisément en monoxyde de carbone (CO), subsiste plus longtemps que ne l’autorisent les modèles cosmogoniques (parfois jusqu’à 100 millions d’années environ). Une explication, parmi d’autres, a été proposée et elle vient de recevoir un soutien fort en utilisant des observations d’Alma. Un groupe d’astronomes, mené par Quentin Kral du Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique, le célèbre Lesia à Paris, l'annonce dans un article publié dans la revue Monthly notices of the Royal Astronomical Society, en accès libre sur arXiv.

Un schéma expliquant la solution à l'énigme de la persistance anormalement longue d'un disque de gaz dans les systèmes planétaires en formation. © Quentin Kral, Lesia/Observatoire de Paris-PSL et Amanda Smith, IoA, Cambridge.

La solution de l’énigme proposée faisait intervenir, en premier lieu, une sorte de relargage du carbone présent dans des corps planétaires dont la composition est proche des comètes. Il ne s’agirait donc pas de vestige du gaz du disque protoplanétaire décrit dans les modèles cosmogoniques initiaux.

En second lieu, et c’est là que se trouve en fait le point clé de l’explication avancée, le monoxyde de carbone libéré serait dissocié sous l’action des rayons ultraviolets mais les produits de cette dissociation changent les conditions de transfert radiatif dans le disque de sorte que, finalement, les molécules de CO sont protégées des UV à partir d’une certaine quantité de ces produits. Le dégazage se poursuivant, le disque de monoxyde de carbone s’étend et s’épaissit.   

Ce scénario fait des prédictions précises quant à ce disque et elles viennent d’être vérifiées, pour la première fois, par les observations d’Alma concernant celui autour de la jeune étoile HD 131835. D’autres étoiles avec des disques seront sans aucun doute l’objet du même test dans le futur.

Pour Quentin Kral : « C’est une découverte très importante qui résout un des grands mystères de la théorie de la formation planétaire. Grâce à notre travail, on comprend maintenant l’origine de ces disques de gaz massifs observés autour de systèmes planétaires matures. Ceci donne accès, pour la première fois, à la composition des exoplanétésimaux qui relâchent le gaz dans ces systèmes, que l’on comparera très bientôt avec la composition des planétésimaux de notre Système solaire. »

  • Les modèles de formation des planètes prédisaient que les disques protoplanétaires riches en gaz, où commence la naissance des planètes, devaient se dissiper en une dizaine de millions d'années tout au plus sous l'effet du rayonnement ultraviolet des jeunes étoiles dans une pouponnière stellaire, à commencer par celles au centre des disques.
  • Les observations montrent que des disques de gaz peuvent durer plus longtemps, parfois jusqu'à 100 millions d'années, ce qui était énigmatique.
  • Le radiotélescope Alma vient cependant de donner du crédit à une explication faisant intervenir un dégazage secondaire des corps similaires aux comètes dans les disques protoplanétaires.
  • Le CO émis mais cassé par les ultraviolets produit du carbone et de l'oxygène qui protègent ensuite ce même CO pendant les durées observées.
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