Une nouvelle théorie de la formation des planètes trouve un havre de stabilité au milieu de violentes turbulences dans le gaz tourbillonnant qui entoure une jeune étoile. Ces zones protégées sont l'endroit où les planètes peuvent commencer à se former sans être détruites. La théorie sera publiée dans le numéro de février de la revue Icarus.
«C'est une autre façon de démarrer une planète. Il marie les deux principales théories de la formation des planètes », a déclaré Richard Durisen, professeur d'astronomie et directeur de ce département à l'Université d'Indiana à Bloomington. Durisen est un leader dans l'utilisation des ordinateurs pour modéliser la formation des planètes.
En regardant ses simulations s'exécuter sur un écran d'ordinateur, il est facile d'imaginer regarder d'un point de vue dans l'espace interstellaire et regarder le processus se produire.
Un disque vert de gaz tourbillonne autour d'une étoile centrale. Finalement, des bras en spirale jaunes commencent à apparaître dans le disque, indiquant les régions où le gaz se densifie. Ensuite, quelques taches rouges apparaissent, au début juste des indices mais ensuite progressivement plus stables. Ces régions rouges sont encore plus denses, montrant où s'accumulent des masses de gaz qui pourraient plus tard devenir des planètes.
Les gaz turbulents et les disques tourbillonnants sont des constructions mathématiques utilisant l'hydrodynamique et l'infographie. Le moniteur d'ordinateur affiche les résultats des calculs des scientifiques sous forme d'animations colorées.
"Ce sont les disques de gaz et de poussière que les astronomes voient autour de la plupart des jeunes étoiles, à partir desquelles les planètes se forment", a expliqué Durisen. "Ils sont comme un tourbillon géant tourbillonnant autour de l'étoile en orbite. Notre propre système solaire s'est formé à partir d'un tel disque. »
Les scientifiques connaissent maintenant plus de 130 planètes autour d'autres étoiles, et presque toutes sont au moins aussi massives que Jupiter. "Les planètes géantes gazeuses sont plus courantes que nous ne l'aurions imaginé il y a 10 ans", a-t-il déclaré. "La nature est assez bonne pour fabriquer ces planètes."
Selon Durisen, la clé pour comprendre comment les planètes sont fabriquées est un phénomène appelé instabilités gravitationnelles. Les scientifiques pensent depuis longtemps que si les disques de gaz autour des étoiles sont suffisamment massifs et assez froids, ces instabilités se produisent, permettant à la gravité du disque de submerger la pression de gaz et de provoquer la rapprochement de certaines parties du disque et de former des amas denses, qui pourraient devenir des planètes.
Cependant, un disque gravitationnellement instable est un environnement violent. Les interactions avec d'autres matériaux de disque et d'autres amas peuvent projeter une planète potentielle dans l'étoile centrale ou la déchirer complètement. Si les planètes doivent se former dans un disque instable, elles ont besoin d'un environnement plus protégé, et Durisen pense qu'il en a trouvé un.
Au fur et à mesure de ses simulations, des anneaux de gaz se forment dans le disque au bord d'une région instable et deviennent plus denses. Si les particules solides qui s'accumulent dans un anneau migrent rapidement vers le milieu de l'anneau, le noyau d'une planète pourrait se former beaucoup plus rapidement.
Le facteur temps est important. Un défi majeur auquel Durisen et d'autres théoriciens sont confrontés est une récente découverte par des astronomes que des planètes gazeuses géantes telles que Jupiter se forment assez rapidement selon les normes astronomiques. Ils doivent - sinon le gaz dont ils ont besoin sera parti.
"Les astronomes savent maintenant que les disques massifs de gaz autour des jeunes étoiles ont tendance à disparaître sur une période de quelques millions d'années", a déclaré Durisen. "C'est donc l'occasion de créer des planètes riches en gaz. Jupiter et Saturne et les planètes qui sont communes autour d'autres étoiles sont toutes des géantes gazeuses, et ces planètes doivent être fabriquées pendant cette fenêtre de quelques millions d'années alors qu'il y a encore une quantité substantielle de disque de gaz autour. »
Ce besoin de vitesse pose des problèmes à toute théorie ayant une approche tranquille de la formation de planètes, comme la théorie de l'accrétion du noyau qui était le modèle standard jusqu'à récemment.
"Dans la théorie de l'accrétion du noyau, la formation de planètes géantes gazeuses est lancée par un processus similaire à la façon dont les planètes telles que la Terre s'accumulent", a expliqué Durisen. «Les objets solides se heurtent, se collent et grossissent. Si un objet solide atteint environ 10 fois la masse de la Terre et qu'il y a aussi du gaz autour, il devient suffisamment massif pour s'accrocher à une grande partie du gaz par gravité. Une fois que cela se produit, vous obtenez une croissance rapide d'une planète géante gazeuse. »
Le problème, c'est qu'il faut beaucoup de temps pour former un noyau solide de cette façon - de 10 à 100 millions d'années. La théorie peut fonctionner pour Jupiter et Saturne, mais pas pour des dizaines de planètes autour d'autres étoiles. Beaucoup de ces autres planètes ont plusieurs fois la masse de Jupiter, et il est très difficile de créer des planètes aussi énormes par accrétion de noyau.
La théorie selon laquelle les instabilités gravitationnelles à elles seules peuvent former des planètes géantes gazeuses a été proposée pour la première fois il y a plus de 50 ans. Il a récemment été relancé en raison de problèmes avec la théorie de l'accrétion de base. L'idée que de vastes masses de gaz s'effondrent soudainement par gravité pour former un objet dense, peut-être en quelques orbites, correspond certainement au laps de temps disponible, mais elle a ses propres problèmes.
Selon la théorie de l'instabilité gravitationnelle, les bras en spirale se forment dans un disque de gaz puis se décomposent en amas qui se trouvent sur différentes orbites. Ces amas survivent et grossissent jusqu'à ce que des planètes se forment autour d'eux. Durisen voit ces amas dans ses simulations - mais ils ne durent pas longtemps.
"Les touffes volent et se cisaillent et se reforment et sont détruites encore et encore", a-t-il déclaré. «Si les instabilités gravitationnelles sont suffisamment fortes, un bras en spirale se brisera en touffes. La question est, que leur arrive-t-il? »
Les co-auteurs de l'article sont Kai Cai, doctorant de l'IU, et deux des anciens étudiants de Durisen: Annie C. Mejia, boursière postdoctorale au Département d'astronomie de l'Université de Washington; et Megan K. Pickett, professeur agrégé de physique et d'astronomie, Purdue University Calumet.
Source d'origine: communiqué de presse de l'Université de l'Indiana
