Il y doit d’abord y avoir une étoile. Avant que n’arrivent les planètes. Cela semble être dans l’ordre des choses. Pourtant, des chercheurs suggèrent aujourd’hui que les planètes peuvent se former très tôt dans le processus. Et grandir en même temps que leur étoile.

À partir d'un nuagenuage de gazgaz et de poussière présent autour d'une étoileétoile. De la matièrematière qui s'agglomère d'abord un peu comme des « moutons de poussières » puis sous l'effet de la gravitégravité. C'est l'idée que se sont forgée les scientifiques de la manière dont se forment les planètes. Mais ils peinent toujours à en préciser les processus plus fins. Mais une nouvelle étude menée par des astronomes de l’université de Cambridge (Royaume-Uni) apporte aujourd'hui quelques précisions.

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Des précisions d'ordre chronologique, notamment. Parce que les chercheurs imaginaient que les planètes ne faisaient leur apparition qu'une fois que leur étoile a atteint sa taille finale. Or les travaux menés ici sur certaines des étoiles les plus anciennes de notre UniversUnivers suggèrent le contraire, à savoir que les éléments constitutifs de planètes géantesplanètes géantes de type JupiterJupiter ou SaturneSaturne commencent à se former pendant la croissance de l'étoile. Comprenez que les étoiles et les planètes pourraient grandir ensemble !

Pour en arriver à cette conclusion étonnante, les astronomesastronomes ont étudié des étoiles un peu spéciales. Des naines blanches qu'ils qualifient de « polluées ». Rappelons d'abord qu'une naine blanche est ce qui reste d'une étoile comparable à notre Soleil, une fois qu'elle a brûlé tout son carburant. Et les naines blanches « polluées » ont la particularité de contenir des éléments lourds -- du magnésiummagnésium, du ferfer ou encore du calciumcalcium -- déposés là par des objets de type astéroïdes qui se sont écrasés sur ces étoiles.

Des planètes qui apparaissent très tôt

Grâce à des observations spectroscopiques de naines blanches « polluées », les chercheurs peuvent donc avoir accès aux compositions de ces astéroïdes et aux conditions dans lesquels ils se sont formés. C'est intéressant. Car, selon l'idée communément admise, les astéroïdes se forment au moment où les planètes commencent elles aussi à apparaître. Comme des accrétionsaccrétions de poussières qui n'iront jamais plus loin.

Le mélange d'éléments que les astronomes de l'université de Cambridge ont observé par spectroscopie dans les atmosphèresatmosphères des naines blanches étudiées ne peut s'expliquer que si bon nombre des astéroïdes d'origine avaient fondu une fois, faisant couler du fer lourd vers leur cœur tandis que les éléments plus légers demeuraient à la surface. Ce processus, notre Terre l'a connu. Il l'a amené à présenter un noyau riche en fer. Les scientifiques parlent de différenciation.

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Le Système solaire ne se serait formé qu’en 200 000 ans !

Surtout, cette fontefonte ne peut être attribuée qu'à des éléments radioactifs à très courte duréedurée de vie. Il en existe dans les premiers stades d'un système planétaire. Mais ils se désintègrent en seulement un million d'années. Si ces astéroïdes ont fondu, cela signifie donc que le processus de formation des planètes doit démarrer très rapidement. Les premiers corps d'un système se formant en même temps que l'étoile. Une chronologie qui serait valable pour l'ensemble des exoplanètesexoplanètes connues. Mais aussi pour notre propre Système solaire. Avec une Jupiter et une Saturne qui auraient ainsi eu beaucoup de temps pour atteindre leur taille actuelle.


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

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'effondrementeffondrement du nuage de gaz initial. Un résultat qui pourrait remettre en cause la chronologie établie de la formation des planètes.

Article de Nathalie MayerNathalie Mayer paru le 15/10/2019

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

Même si des découvertes ont été faites ces dernières années, la physiquephysique des étoiles en formation les plus jeunes -- celles que l'on nomme les protoétoilesprotoétoiles 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 interféromètreinterféromètre 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 embryonsembryons 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
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.


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 radiotélescoperadiotélescope 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 SaccoLaurent 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-lumièreannées-lumière du Soleil dans la Voie lactée. Pour autant qu'on le sache, c'est la nurserie d'étoiles la plus proche du Système solaireSystème 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 astrophysiciensastrophysiciens ont donc tourné le regard d'Alma vers TMC 1A, une proto-étoile de massemasse 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'accrétiondisque d'accrétion puis sur l'astreastre 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 carbonemonoxyde 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 protoplanétairesdisques protoplanétaires. Des simulations numériquessimulations 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 moléculesmolécules 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.