Formation planétaire : le rôle catalyseur des tourbillons anticycloniques

Le rôle des tourbillons anticycloniques dans la formation planétaire estompe les difficultés du scénario standard.

Quel rôle les tourbillons anticycloniques jouent-ils dans la formation planétaire ? Ici, vue de Jupiter et de la sonde Juno. La Grande Tache rouge de Jupiter est un exemple de tourbillon anticyclonique. © Nasa, JPL, Wikimedia Commons, DP 

Le scénario standard présente deux difficultés importantes :

• le cœur des planètes géantes doit se former en moins de quelques millions d'années, avant que le gaz du disque ne soit dispersé durant la phase active de l'étoile (phase T Tauri) ;
• la formation des planétésimaux eux-mêmes n'est pas clairement expliquée par ce modèle.

Ces deux difficultés s'estompent si des tourbillons anticycloniques sont présents dans le disque de gaz et survivent pendant un grand nombre de rotations autour de l'étoile. En effet, les particules solides qui sédimentent dans l'épaisseur du disque sont capturées et concentrées par les tourbillons de façon très efficace (Barge et Sommeria, 1995).

De tels tourbillons peuvent être engendrés par une instabilité spécifique ou par une cascade inverse dans un disque turbulent (2D), les mouvements aux petites échelles nourrissant ceux aux grandes échelles (comme cela se produit dans l'atmosphère des planètes géantes du Système solaire).

Figure 9 : la Grande Tache rouge de Jupiter. Un exemple de tourbillon anticyclonique qui persiste depuis plus de 300 ans dans les couches supérieures de l'atmosphère turbulente de Jupiter. © DR 

Des codes numériques permettant de décrire l'évolution couplée du gaz et des particules solides sont nécessaires pour étudier ces phénomènes. Les résultats des simulations montrent que des tourbillons persistants peuvent se former tout en capturant les particules qui circulent dans le disque.

Figure 10 : simulation hydrodynamique à deux phases (gaz et solide) montrant l'évolution du gaz et des particules solides dans un disque qui génère des tourbillons persistants (Inaba et Barge, 2006). Les particules ont un diamètre de 3 cm. La figure de gauche montre le tourbillon de gaz (anticyclone) ; la figure de droite indique l'évolution de la composante solide. Les particules sont capturées par le tourbillon et tendent à se concentrer vers son centre (œil de l'anticyclone). La figure montre un seul cadran de l'anneau simulé. © DR 

Des planétésimaux formés à l'intérieur d'un tourbillon

À l'intérieur d'un tourbillon, les particules collectées se concentrent vers le centre où la densité augmente très fortement.  Les conditions sont propices au déclenchement d'une instabilité gravitationnelle ou à une agglomération accélérée des particules par collisions successives ; des planétésimaux devraient donc se former aisément. Si la durée de vie du tourbillon est suffisamment grande (plusieurs centaines de rotations autour de l'étoile), la masse récupérée par le tourbillon peut atteindre la masse critique pour la capture du gaz environnant et la formation d'une planète géante.

Les tourbillons anticycloniques semblent donc capables d'accélérer les processus de formation planétaire en collectant et concentrant le matériau solide de la nébuleuse. Beaucoup de travail est encore nécessaire pour étudier les processus d'agglomération au sein des tourbillons.