Une vue d'artiste de la naissance d'un système planétaire. © Nasa, JPL-Caltech

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Naissance des planètes : faut-il revoir la théorie de leur formation ?

ActualitéClassé sous :planètes , cosmogonie , étoile

Autour des étoiles en formation flottent des enveloppes de poussière bien difficiles à sonder. Des astronomes viennent d'avoir la surprise d'y découvrir des grains relativement gros, déjà formés moins de 100.000 ans après l'effondrement du nuage de gaz initial. Un résultat qui pourrait remettre en cause la chronologie établie de la formation des planètes.

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. 

Même si des découvertes ont été faites ces dernières années, la physique des étoiles en formation les plus jeunes -- celles que l'on nomme les protoétoiles de classe 0 -- reste mystérieuse. Car les enveloppes de gaz et de poussières qui les entourent sont des énigmes difficiles à résoudre. D'autant que ces gaz émettent principalement dans la gamme dite (sub)millimétrique. Et c'est dans l'espoir d'en lever le voile que des astronomes du CEA-Paris Saclay (France) explorent l'environnement de telles protoétoiles grâce notamment au grand interféromètre Noema (NOrthern Extended Millimeter Array) posé sur le plateau de Bure (Hautes-Alpes, France).

En février dernier, ils avaient découvert que les protoétoiles étudiées présentaient des embryons de disques protoplanétaires beaucoup plus petits que prévu. Et aujourd'hui, ils montrent que l'indice β d'émissivité de la poussière qu'ils contiennent est non seulement étonnamment bas, mais diminue lorsque l'on se rapproche de l'étoile en formation.

Sur cette image, on découvre au centre la protoétoile Iras 4A observée en lumière millimétrique au plateau de Bure (Hautes-Alpes, France). À gauche, la région de formation stellaire au cœur de NGC1333 observée en infrarouge. À droite, la variation radiale de l’indice β d’émissivité de la poussière qui entoure Iras 4A en fonction de la distance à la protoétoile. Cette dernière indique la présence de gros grains de poussière au plus près de l’étoile en formation. © DAp, CEA

De gros grains de poussière présents très tôt

Ces faibles valeurs signent la présence de grains relativement gros -- des grains supérieurs à 100 microns -- dans les environnements d'étoiles très jeunes. Une surprise pour les astronomes qui n'expliquent pas pour l'instant comment de tels grains ont pu grandir en moins de 100.000 ans après le début du processus de formation des étoiles.

Mais, comme ceux-ci sont la matière première à partir de laquelle les planètes se forment, ils constituent en tout cas un indice supplémentaire que les planètes pourraient commencer à voir le jour bien plus tôt que les astronomes le pensaient. De quoi peut-être mener à une révision totale de la chronologie établie du processus.

  • Des grains de poussière relativement gros ont été découverts dans des enveloppes de gaz et de poussières qui entourent des étoiles en formation très jeunes.
  • Un signe que les planètes pourraient commencer à se former bien plus tôt que prévu par les astronomes.
Pour en savoir plus

La formation des planètes commencerait avant la naissance des étoiles

La formation des planètes pourrait commencer alors même que la naissance de l'étoile hôte n'est pas terminée. C'est ce qu'indiquent des observations menées avec le radiotélescope Alma. En effet, l'appareil a permis de scruter un disque protoplanétaire situé autour d'une très jeune proto-étoile, et d'y débusquer des grains de poussières de la taille du millimètre.

Article de Laurent Sacco paru le 03/07/2018

Le nuage moléculaire 1 du Taureau (en anglais Taurus Molecular Cloud 1, donc TMC 1) est un nuage moléculaire situé à environ 450 années-lumière du Soleil dans la Voie lactée. Pour autant qu'on le sache, c'est la nurserie d'étoiles la plus proche du Système solaire, ce qui en fait une cible toute désignée pour un instrument comme l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (en abrégé Alma, qui signifie aussi « âme » en espagnol). En effet, l'un des objectifs scientifiques principaux de ce radiotélescope est de nous aider à comprendre la formation des étoiles et de leurs cortèges d'exoplanètes à travers l'observation des nuages moléculaires.

Les astrophysiciens ont donc tourné le regard d'Alma vers TMC 1A, une proto-étoile de masse déjà comparable à celle du Soleil et située dans TMC 1. Elle est entourée d'un disque protoplanétaire et sa formation aurait commencé il y a environ 100.000 ans seulement.

On estime aussi qu'elle ne contiendrait que la moitié voire les trois quarts de sa masse finale, car l'accrétion de matière de l'enveloppe de la proto-étoile sur son disque d'accrétion puis sur l'astre lui-même n'est pas terminée. Ce système est encore très jeune et les réactions thermonucléaires qui transformeront la proto-étoile en véritable étoile n'ont pas encore commencé.

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, en particulier de celle des géantes gazeuses. On doit ces vidéos à 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 apparaissent alors. Cliquez ensuite sur la roue dentée à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Laurence Honnorat

Des gros grains de poussières qui bloquent un rayonnement

Une équipe de chercheurs européens vient de faire une découverte étonnante en ce qui concerne TMC 1A, comme elle l'explique dans un article publié dans Nature Astronomy et disponible en accès libre sur arXiv. Cette découverte concerne bien évidemment la cosmogonie, plus précisément la naissance des planètes, car il est raisonnablement possible de penser que l'exemple de TMC 1A est général (toutefois, la prudence impose de faire des études supplémentaires pour établir solidement que nous ne sommes pas confrontés à une exception en ce qui concerne la formation des systèmes planétaires pour des étoiles de type solaire ou peu s'en faut). Il est donc possible de penser que la leçon tirée de ces observations concerne aussi la naissance du Système solaire et qu'elle nous aide ainsi à comprendre une des étapes ayant mené du Big Bang au vivant.

En l'occurrence, les astrophysiciens ont mis en évidence une absence de raies d'émission du monoxyde de carbone (CO) alors qu'il était possible d'attendre leur présence, étant donné ce qui est connu de la composition des nuages moléculaires et des disques protoplanétaires. Des simulations numériques concernant le transfert du rayonnement dans le disque de TMC 1A ont accrédité une hypothèse avancée pour rendre compte de cette observation.

Une vidéo réalisée en images de synthèse montrant une plongée dans un disque protoplanétaire. Nous descendons ensuite à l'échelle des poussières et grains rocheux entrant en collision. Parfois, ces poussières et ces grains se collent les uns aux autres, et c'est ainsi que des objets peuvent croître jusqu'à la formation des planétésimaux à partir de grains de poussières silicatés et carbonés. © ESO, YouTube

Le processus de formation des planètes s'est rapidement enclenché

Les molécules de CO devaient bien être là mais leur rayonnement a dû se retrouver bloqué par la présence de grains de poussières de la taille du millimètre. Ces grains sont une étape menant à la naissance de cailloux puis de planétésimaux de quelques kilomètres à quelques centaines de kilomètres en prélude à la formation des embryons de planètes et des planètes elles-mêmes.

Or, ces grains n'existent pas avec une aussi grande taille initialement dans des nuages moléculaires et poussiéreux sur le point de s'effondrer pour former des proto-étoiles et des disques protoplanétaires ; en effet, ils sont plus petits, de l'ordre du micron.

Les chercheurs en concluent donc que, contrairement à ce que les scientifiques pensaient avant, le processus de formation des planètes s'est très rapidement enclenché dans le disque protoplanétaire autour de TMC 1A et qu'il a débuté avant même que la proto-étoile ne soit arrivée à maturité.

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