La formation d'étoiles et de planète a été largement considérée comme des processus séquentiels distincts. Mais dans une nouvelle étude, les scientifiques du Southwest Research Institute (SWRI) ont modélisé un scénario différent où les planètes commencent à se développer tôt – en avant les étapes finales de la formation stellaire – plutôt qu'après la fin de cette phase, comme cela supposait précédemment. La recherche est publiée dans la revue Communications de la nature.
Parmi les milliers d'exoplanètes connus, il existe une grande population de systèmes compacts qui ont chacun plusieurs planètes en orbite autour de leur étoile centrale. Cela contraste avec notre système solaire, qui manque de planètes en orbite autour de Mercure.
Fait intéressant, dans les systèmes compacts, la masse totale des planètes de chaque système par rapport à la masse de l'étoile hôte est remarquablement cohérente dans des centaines de systèmes. La cause de ce rapport de masse commun reste un mystère.
Le Dr Raluca Rufu et le Dr Robin Canup de la division des sciences et de l'exploration du système solaire de SWRI à Boulder, au Colorado, ont utilisé des simulations avancées qui montrent que les planètes en première forme précoce survivent correspondent à plusieurs caractéristiques observées des systèmes compacts, y compris à la fois des orbites planétaires étroites et un ratio de masse commun. La croissance précoce de la planète est également cohérente avec les observations antérieures de disques autour des jeunes étoiles fabriquées par le télescope ATACAMA GRAND Millimètre (ALMA).
« Les systèmes compacts sont l'un des grands mystères de la science des exoplanet », a déclaré Rufu, boursier SAGAN et auteur principal de A Nature Communications décrivant cette recherche. « Ils contiennent plusieurs planètes rocheuses de taille similaire, comme les pois dans un pod, et un rapport massique commun qui est très différent de celui des planètes de notre système solaire. »
« Curieusement, le rapport de masse commun observé dans les systèmes exoplanétaires compacts est similaire à celui des systèmes satellites de nos planètes gazières. Ces lunes se sont développées comme des planètes gazières finalisées leur formation.
Une étoile se forme comme un nuage moléculaire de gaz et de poussière s'effondre en raison de sa propre gravité. Alors que le matériel du nuage s'infiltre vers l'étoile centrale, il est d'abord déposé dans un disque circonsellaire en orbite autour de l'étoile. Après la fin de l'infall, le disque persiste pendant quelques millions d'années avant que son gaz ne se disperse. Les planètes se forment dans le disque, en commençant par les collisions et l'accumulation parmi les grains de poussière et se terminant par l'assemblage gravitationnel des planètes.
« Conventionnellement, il a été supposé que l'assemblage planétaire a commencé après la fin de l'infall stellaire. Cependant, les observations récentes de l'ALMA fournissent des preuves solides que l'accrétion ou la formation planétaire pourrait commencer plus tôt », a déclaré Rufu. « Nous proposons que les systèmes compacts survivent des restes d'accrétion de la planète qui se sont produits pendant les phases finales de l'infall. »
Les nouvelles simulations numériques montrent que pendant l'infall, les planètes en croissance recueillent des matériaux rocheux tandis que leurs orbites se déchaînent progressivement vers l'intérieur par des interactions avec le gaz disque environnant.
À mesure qu'une planète gagne de la masse, sa migration en orbite intérieure s'accélère, de sorte que les planètes au-dessus d'une masse critique tombent dans l'étoile et sont consommées. Cet équilibre entre la croissance planétaire et la perte a tendance à produire des planètes de taille similaire avec des masses caractéristiques déterminées par des conditions d'infall et de disque.
« Nous constatons que les planètes qui s'accumulent pendant l'infall peuvent survivre jusqu'à la fin du disque de gaz et de la migration orbitale », a déclaré Canup. « Surtout, dans un large éventail de conditions, la masse des systèmes survivants est proportionnelle à la masse de l'étoile hôte, fournissant la première explication des rapports de masse similaires des systèmes compacts multi-plans observés. »
Le processus envisagé est similaire à la façon dont les lunes peuvent se former autour de planètes géantes comme Jupiter. Les lunes se développent dans un disque entourant la planète qui est alimentée par le gaz et les matériaux à poussière à partir du disque circonsellaire.
Une différence clé réside dans le timing: les disques de formation de lune se dispersent rapidement une fois que l'infall s'arrête, tandis que les disques de formation de planète autour des étoiles peuvent durer jusqu'à plusieurs millions d'années. Cette différence subtile donne des rapports de masse un peu plus faibles pour les systèmes planétaires compacts que pour les systèmes satellites de planète gazeux.
« C'est excitant de voir que le processus d'assemblage précoce dans les jeunes disques peut fonctionner de la même manière sur des échelles très différentes », note l'équipe.
