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Le mystère des disques protoplanétaires était magnétique

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Un groupe d'astrophysiciens vient peut-être de trouver une solution à une énigme de l'astronomie : la luminosité infrarouge anormalement élevée des disques protoplanétaires. Au-dessus d'eux existerait un analogue de l'atmosphère magnétisée du Soleil, où s'élèveraient des équivalents des boucles coronales et des protubérances solaires. Ce sont elles qui rendraient compte des excès de rayonnement observés.

Cette image d'artiste montre ce que verrait un observateur aux yeux sensibles à la fois au domaine visible et à l'infrarouge aux abords des disques protoplanétaires. Il constaterait la présence de l'équivalent des boucles magnétiques du Soleil, mais s'élevant ici au-dessus d'un disque riche en gaz et en poussières. Ces boucles magnétiques seraient à l'origine de l'énigmatique excès de lumière infrarouge associé à ces disques découvert en 2006 par Spitzer et que l'on ne comprenait pas. © Nasa

Le programme Apollo, l'étude des météorites et l'exploration du Système solaire grâce à des sondes comme Mariner 10 et aux missions Voyager ont permis de donner plus de poids à la théorie de la nébuleuse primitive de Kant-Laplace. Les observations ultérieures réalisées notamment avec Hubble, Spitzer et Herschel ne laissent aujourd'hui plus de doute. Les systèmes planétaires naissent bien dans des disques protoplanétaires provenant de l'effondrement gravitationnel de nuages de gaz et de poussières en rotation. Les premières preuves sont venues en 1983 du satellite Iras (Infrared Astronomical Satellite), qui avait pour mission de dresser une carte aussi complète que possibles des sources sur la voûte céleste dans quatre bandes infrarouges. Ces observations ont mis en évidence des disques autour d'étoiles comme Véga et Bêta Pictoris.

Cependant, les étapes menant de ces nuages aux superterres et aux Jupiter chaudes restent encore mal connues. Bien des phénomènes, qui restent encore à comprendre et même tout simplement à découvrir, ont aussi dû accompagner ces étapes. En témoignent des travaux récents d'astrophysiciens qui apportent peut-être une réponse à une énigme remontant aux observations de Spitzer depuis 2006.

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Les scientifiques ont commencé à modéliser sérieusement la formation des disques protoplanétaires et des planètes après la seconde guerre mondiale. On peut citer à ce sujet les travaux pendant les années 1950 et 1960 de pionniers comme Viktor Safronov, Alastair Cameron et Harold Urey. Les progrès des ordinateurs ont permis d'explorer plus en détail les modèles proposés depuis. On en avait tiré des prédictions sur la quantité de lumière infrarouge que devait émettre les disques protoplanétaires. Or, les observations de Spitzer sont venues contredire partiellement ces modèles en montrant que les disques étaient plus lumineux qu'ils devraient l'être.

La magnétohydrodynamique, une clé des disques protoplanétaires

Un groupe d'astrophysiciens a finalement conduit de nouvelles simulations numériques et vient de faire savoir qu'il avait peut-être trouvé la clé de l'énigme. Elle fait intervenir des champs magnétiques. On sait que ceux-ci jouent un rôle dans la formation des disques protoplanétaires depuis longtemps ; l'un de ceux qui l'avaient d'ailleurs compris très tôt est le prix Nobel de physique suédois Hannes Alfvén. Pour lui, la gravitation n'était pas le seul moteur des phénomènes astrophysiques et cosmogoniques. Il fallait impérativement prendre en compte les champs magnétiques et la physique des plasmas en utilisant les lois de la magnétohydrodynamique (MHD). C'est d'ailleurs à Alfvén lui-même que l'on doit en 1942 le nom de cette discipline scientifique qui décrit le comportement d'un fluide conducteur de courant électrique (liquide ou gaz ionisé) en présence de champs électromagnétiques. Elle repose sur la prise en compte simultanée des équations de Navier-Stokes et des équations de Maxwell.

Pour les chercheurs, les excès de lumière infrarouge détectés par Spitzer proviendraient du fait qu'il existe au-dessus du disque protoplanétaire une sorte d'atmosphère de gaz et de poussières magnétisés analogue à l'atmosphère du Soleil. De la même façon qu'il se forme parfois des boucles coronales et des proéminences solaires au-dessus de la surface turbulente de notre étoile, des boucles magnétiques de gaz et de poussières s'élèveraient dans l'atmosphère magnétique au-dessus du disque. C'est la matière contenue dans ces disques qui serait la source supplémentaire de rayonnement infrarouge.

Il faudra encore du travail pour savoir si cette théorie est exacte. Les observations faites avec l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) et avec le télescope spatial James Webb attendu en 2018 devraient probablement permettre de le savoir.

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