Une vue d'artiste du disque protoplanétaire à l'origine des planètes du Système solaire. © Lynette Cook
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Exoplanètes : les champs magnétiques contrôleraient aussi leur formation

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[EN VIDÉO] Le mystère de la naissance des planètes  Les planètes sont étonnamment variées et complexes. Au nombre de huit dans notre Système solaire, elles se sont formées après le Big Bang selon un scénario surprenant. Découvrez, grâce à Discovery Science, la naissance de ces astres. 

La gravitation n'est pas la seule force motrice de la cosmogénèse planétaire, les forces électriques et magnétiques y contribuent aussi. Des simulations numériques prenant mieux en compte les effets de ces forces tendent à expliquer pourquoi les superterres et les exoneptunes sont plus nombreuses que les géantes gazeuses parmi les exoplanètes. 

Il y a plus de deux siècles, lorsque Kant puis Laplace proposent le modèle de l'effondrement d'une nébuleuse protoplanétaire pour donner le Soleil et un disque où vont se former les planètes du Système solaire, seule la force de la gravitation est envisagée. Mais il y a plus de 50 ans, pour Viktor Safronov et  George Wetherill, leurs héritiers modernes qui vont pousser beaucoup plus loin leurs idées, des forces électromagnétiques devaient également être en jeu. Ces forces relevaient d'une électrodynamique cosmique pour reprendre les termes du prix Nobel de physique Hannes Alfvén.

Le disque protoplanétaire chaud composé de poussières et de gaz devait aussi contenir des particules chargées formant un plasma de sorte que des courants et des champs magnétiques cogénérés par l'équivalent des dynamos auto-excités, que l'on retrouve aussi bien dans le cas du Soleil que de la Terre, devaient exister dans ce disque. Le jeune Soleil ne devait pas être en reste non plus en expulsant déjà du vent solaire par son propre champ magnétique baignant ce même disque.

Il devait donc exister des phénomènes de magnétohydrodynamiques, en plus de ceux purement hydrodynamiques avec l'apparition d'ondes et de turbulences, qui ne devaient rien avoir à envier à ceux que l'on peut observer dans l'atmosphère et l'hydrosphère terrestres.

Il s'agit de phénomènes non linéaires et, comme le présentait le grand physicien Fermi après la Seconde Guerre mondiale en voyant l'essor des calculateurs électroniques, la complexité de ces phénomènes ne pouvait être compris qu'avec la montée en puissance des ordinateurs et de l'art du développement des algorithmes.

On sait aujourd'hui mieux prendre en compte les effets des champs magnétiques dans les disques protoplanétaires entourant les proto-étoiles comme l'explique cette vidéo. Dans ces disques, la gravité produit des instabilités et des ondes qui vont concentrer la matière dans des spirales. Chargée, cette matière va produire des courants générant des champs magnétiques par effet dynamo qui, à leur tour, vont affecter les mouvements de la matière. Des jets vont en résulter, emportant du moment cinétique et de la masse, et qui vont donc ralentir la rotation du disque et de la protoétoile. Ce scénario est aujourd'hui confirmé par des simulations sur superordinateur. © cscsch

L'électrodynamique cosmique des exoplanètes

Aujourd'hui, les héritiers de Safronov et Wetherill ont des ambitions cosmogoniques encore plus grandes puisqu'ils veulent comprendre la genèse des exoplanètes en se nourrissant des données qui concernent déjà, plus de 25 ans après leur découverte par les prix Nobel de Physique, les Suisses Michel Mayor et Didier Queloz, environ 4.000 de ces astres.

Or, depuis un moment déjà, un fait intriguait les exoplanétologues. Les modèles numériques de la cosmogonie planétaire ne rendaient pas bien compte des populations d'exoplanètes. Il y avait moins de géantes gazeuses ressemblant en masse et taille à Jupiter et Saturne que prévu par ces modèles et plus de superterres et d'exoneptunes.

Des scientifiques des universités de Zurich et de Cambridge, associés au National Centre of Competence in Research PlanetS proposent aujourd'hui une solution comme ils l'expliquent dans un article publié dans Nature Astronomy et en accès libre sur arXiv. Pour cela, ils ont réussi à tenir compte dans leur calcul de processus magnétohydrodynamiques faisant intervenir la pression du champ magnétique à petites échelles.

On ne pouvait pas rendre compte efficacement du couplage entre la gravité, l'hydrodynamique et la physique des plasmas à ces échelles, à des ordres de grandeur proches de la taille des planètes géantes avec leur champ de gravitation, parce les processus purement mécaniques et ceux magnétohydrodynamiques n'étaient pas dominés par des effets ayant en gros la même échelle spatiale. Il était donc difficile de tenir compte des couplages entre des échelles si différentes dans les calculs et, en conséquence, de l'effet des champs magnétiques sur l'accrétion de la matière sur des protoplanètes en formation.

Les simulations numériques des couplages entre force de gravité et magnétisme dans un disque protoplanétaire révèlent maintenant que les champs magnétique peuvent défavoriser l'effondrement gravitationnel de la matière et donc limiter la croissance des planètes géantes. © cscsch

Pour surmonter cet obstacle, il a non seulement fallu développer de nouveaux algorithmes nourris par une compréhension profonde des effets de la gravitation et du magnétisme sur la fragmentation du disque protoplanétaire, les instabilités conduisant à l'effondrement gravitationnel de son gaz et de ses poussières ou conduisant à la formation de structures spirales, mais aussi faire intervenir la puissance des superordinateurs actuels, en l'occurrence, le Piz Daint au Swiss National Supercomputing Centre (CSCS).

Les simulations conduites par les chercheurs montrent maintenant que la pression magnétique tend à défavoriser la croissance des planètes géantes comme Jupiter et Saturne et ce serait donc pour cette raison que des planètes de tailles intermédiaires entre celles de la Terre et Vénus, et celle des géantes gazeuses, se forment en plus grand nombre.

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

Pour en savoir plus

Des forces électriques, le secret de la formation des  planètes ?

Dans la formation des planètes à partir des poussières, certaines étapes sont bien comprises et d'autres le sont moins. Il existe notamment une barrière pour faire croître par agrégation les petites particules de tailles supérieures au millimètre. Il semble de plus en plus crédible que des forces électriques sont entrées en jeu, permettant de dépasser cet obstacle.

L'élaboration d'une cosmogonie (du grec kósmos, « monde » et gónos- « engendrer ») est un besoin primordial de la psyché humaine qui, depuis la nuit des temps, a donné lieu à des récits mythologique et religieux. En occident, ce sont les philosophes grecs, plus précisément les présocratiques, qui ont tenté les premiers d'aller au-delà du mythe pour établir dans le même mouvement une cosmologie rationnelle, inspirée de l'observation et de l'expérience même si il ne s'agissait pas encore de science au sens moderne acquis depuis Galilée, Descartes et Newton.

Le Timée de Platon en sera l'aboutissement selon Alfred North Whitehead, même si l'on peut trouver des idées étonnamment modernes et visionnaires dans le De natura rerum de Lucrèce, comme le soulignait Michel Serres dans l'ouvrage qu'il lui a consacré.

Les cosmogonies initiales traitaient de la naissance du Soleil et de la Terre, ce qui veut dire que leur forme moderne concerne la naissance du Système solaire. Comme Futura le rappelait dans le précédent article ci-dessous, tout a modestement commencé avec le modèle de la nébuleuse protosolaire de Kant-Laplace, lequel a été vigoureusement développé pendant le XXe siècle par Viktor Safronov, Georges Wetherhill et Harold Urey.

Une présentation d'une simulation de la formation du Système solaire. 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 ». © California Academy of Sciences

L'obstacle de la barrière du rebond

Tout commence par un nuage de gaz et de poussières ; pour certaines raisons, il s'effondre gravitationnellement en donnant un disque protoplanétaire qu'entoure une proto-étoile qui va devenir le Soleil. Les particules de poussières vont s'agglomérer (sous l'effet de forces de Van der Waals) pour donner des petits cailloux qui, à leur tour, vont entrer en collision, parfois se fragmenter selon leurs vitesses relatives ou, au contraire, se coller pour donner des blocs rocheux, des astéroïdes et des comètes. Le processus d'accrétion va se poursuivre jusqu'à donner les planètes que nous connaissons comme l'explique la vidéo ci-dessus.

Mais le diable se cache dans les détails : des problèmes surgissent lorsque l'on essaye de décrire précisément ce qui se passe dans les processus d'accrétion qui transforment les poussières en planètes. Lorsque les agglomérats de poussières atteignent des tailles comprises entre un millimètre et quelques centimètres, les collisions entre ces particules les conduisaient à rebondir bien plus souvent qu'à se coller dans les simulations et expériences généralement réalisées.

Ce problème, parfois appelé la « barrière du rebond », bloquait la poursuite du processus d'accrétion. Une solution avait été proposée mais elle n'était pas sans aboutir elle-même à de nouvelles difficultés. Les chocs entre les particules pouvaient conduire à les charger en raison des forces de frottement impliquées. Les forces électrostatiques résultantes étaient-elles suffisantes pour franchir l'obstacle de la barrière du rebond ? C'est toute la question que se posent les chercheurs depuis plus d'une décennie et c'est pour tenter d'y répondre que l'astrophysicien Tobias Steinpilz, de l'Université de Duisburg-Essen en Allemagne, a mené des expériences avec ses collègues. Les résultats obtenus ont été publiés dans un article du célèbre journal Nature Physics.

Une vidéo sur la tour de Brême, avec l'apparition de Tobias Steinpilz. 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 ». © Tom Scott

Des forces électriques en microgravité

Pour reproduire les phénomènes dans le disque protoplanétaire à l'origine du Système solaire, il est nécessaire de faire des expériences dans le vide et en chute libre. C'est pour ces raisons qu'elles ont été menées dans la fameuse tour de Brême du Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM). Des chercheurs y effectuent depuis longtemps des expériences et des tests faisant intervenir l'équivalent de la microgravité dans l'espace ou de l'impesanteur produite lors des vols paraboliques en avion.

Dans le cas présent, Tobias Steinpilz et ses collègues ont donc laissé tomber d'une hauteur d'environ 120 m des petites billes de verre de 0,4 millimètre de diamètre, contenues dans une sorte de capsule équipée d'une caméra de prises de vues à grande vitesse. La chute dure quelques secondes et les billes ont été secouées pour imiter les collisions entre particules dans le disque protoplanétaire. En réponse, les billes se sont bien recouvertes en surface par triboélectricité de charges électriques, certaines négatives et d'autres positives. Les forces électrostatiques étaient suffisantes pour que les billes se rassemblent en formant des agglomérats de quelques centimètres, cela suggère bien que la barrière du rebond peut-être contournée de cette façon.

Pour obtenir des résultats encore plus réalistes et crédibles, l'équipe de Steinpilz a également réalisé des expériences avec des petites sphères de basalte, ce matériau est plus proche de celui qui devait constituer les particules à l'origine des météorites que l'on trouve sur Terre et qui sont des vestiges du disque protoplanétaire.  

Les particules de basalte se chargeaient encore plus que les billes de verre, suggérant que l'effet pourrait être encore plus fort lors des premières étapes de la formation planétaire.ZZZZZ


Des forces électriques ont-elles aidé à former les futures planètes ?

Article de Laurent Sacco publié le 13/08/2015

Dans la formation des planètes à partir des poussières, certaines étapes sont bien comprises et d'autres moins, comme la toute première, au cours de laquelle ces petites particules submillimétriques s'agrègent entre elles. Pourquoi le feraient-elles ? À cause de charges électriques créées par leurs frottements mutuels, avancent des chercheurs, inspirés par le comportement de grains de sel dans l'ISS et qui ont mené une expérience sur Terre.

Le modèle de la nébuleuse protosolaire qui devient un disque protoplanétaire où naissent les planètes, c'est-à-dire le modèle cosmogonique de Kant-Laplace, a été vigoureusement développé pendant le XXe siècle. Sa description quantitative pose de fascinants problèmes de mécanique céleste, de mécanique des fluides mais aussi de chimie comme l'ont montré notamment Viktor Safronov, Georges Wetherhill et Harold Urey. Des télescopes comme Hubble, Spitzer et Hershell ont permis de démontrer que le modèle de Kant-Laplace était bien correct dans les grandes lignes, en plus d'être universel. Mais dans les détails, plusieurs points restent obscurs.

Dans le scénario développé au cours du XXe siècle, un disque protoplanétaire riche en poussière et en gaz devient un disque contenant des planétésimaux de 1 à 100 km de diamètre qui entrent en collision pour former des protoplanètes puis des planètes. La formation des protoplanètes est plutôt bien comprise. En revanche, les différentes étapes conduisant des poussières à ces planétésimaux le sont beaucoup moins.

Il est par exemple difficile d'expliquer l'accrétion des objets de plus de 1 m de diamètre. Toutefois, l'astronome Pierre Barge et son collègue le physicien Joël Sommeria ont proposé, il y a presque 20 ans, un modèle résolvant cette énigme de la formation des planètes. Il repose sur l'existence de tourbillons anticycloniques au sein des disques protoplanétaires. Il semble que ces tourbillons existent, comme le montre l'observation de l'un d'entre eux par le radiotélescope Alma autour de l'étoile Oph-IRS 48.

Don Pettit en train d'effectuer des expériences avec des grains de sel, de thé et de sucre en microgravité à bord de l'ISS. Ces grains s'agglomèrent très rapidement comme on peut le voir sur ces images. © Plasma Ben, YouTube

Des forces électriques entre les poussières du disque protoplanétaire

Un autre point d'achoppement de la théorie est la constitution de ces objets de 1 m de diamètre à partir de poussières submillimétriques dans un gaz turbulent qui s'agglutinent. Une réponse possible est apparue en 2004. L'astronaute Stanley G. Love regardait une retransmission vidéo de son collègue Don Pettit, à bord de l'ISS, en train de réaliser des expériences de microgravité avec des grains de sel en impesanteur lorsqu'il eut une illumination. « Don ! Tu te rends compte que tu viens de résoudre un des problèmes de l'accrétion planétaire ? » s'est-il exclamé.

Ces grains de sel, enfermés dans un sachet plastique, s'aggloméraient spontanément et très rapidement sous ses yeux. Les deux hommes ont ensuite publié un article dans lequel ils expliquent que ce phénomène était peut-être dû à des forces électrostatiques entre les grains de sel qui se chargeaient en raison de frottements. Si tel est bien le cas, le même mécanisme était peut-être à l'œuvre dans le disque protoplanétaire.

Un groupe de chercheurs états-uniens, intéressés eux aussi par la dynamique des milieux granulaires constitués de particules submillimétriques, rencontrés dans l'industrie, a réalisé une expérience sur Terre qui explore cette hypothèse. Victor Lee et ses collègues de l'université de Chicago ont utilisé une chambre à vide transparente de 3 m de hauteur dans laquelle des grains silicatés à base de dioxyde de zirconium d'environ un dixième de millimètre étaient en chute libre. Ces grains devaient donc pouvoir simuler le comportement des grains silicatés et réfractaires présents dans la zone du disque protoplanétaire où sont nées la Terre et les autres planètes rocheuses du Système solaire.

Pour observer ce qui allait se passer, les chercheurs n'ont pas hésité à faire tomber parallèlement à la chambre à vide une caméra électronique ultrarapide coûtant plus de 20.000 euros. Les observations ont montré qu'en effet, des particules chargées exercent entre elles des forces attractives et répulsives. Certaines particules se mettaient même en orbite à la façon des planètes tandis que d'autres s'assemblaient en agrégats.

Ces résultats qui ont donné lieu à une publication dans Nature  sont certes très intéressants mais ils sont à prendre avec précaution. Dans cette expérience, les grains portent d'importantes charges électriques, bien supérieures à celles qui étaient sans doute possibles dans le disque protoplanétaire selon l'astrophysicien physicien Jürgen Blum de la *Technische Universität Braunschweig (Allemagne), un spécialiste de la formation des planètes.

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