Cette vue d'artiste montre les environs du trou noir supermassif au cœur de la galaxie active NGC 3783 dans la constellation méridionale du Centaure (Le Centaure). De nouvelles observations utilisant l'interféromètre du très grand télescope de l'Observatoire de Paranal de l'ESO au Chili ont révélé non seulement le tore de poussière chaude autour du trou noir, mais également un vent de matière froide dans les régions polaires. Crédit : ESO/M. Messager de Korn
Combien de temps faut-il aux planètes pour se former à partir d’un disque tourbillonnant de gaz et de poussière autour d’une étoile ? Une nouvelle étude menée par l’Université d’Arizona donne aux scientifiques une meilleure idée de la naissance de notre propre système solaire.
Les scientifiques pensent que les systèmes planétaires comme notre système solaire contiennent plus d’objets rocheux que d’objets riches en gaz. Autour de notre soleil, celles-ci incluent les planètes intérieures – Mercure, Vénusla Terre et Mars – la ceinture d'astéroïdes et les objets de la ceinture de Kuiper tels que Pluton.
Jupiter, Saturne, Uranuset Neptune, en revanche, contiennent principalement du gaz. Mais les scientifiques savent également depuis longtemps que les disques à l’origine de la formation des planètes ont au départ une masse de gaz 100 fois supérieure à celle des solides, ce qui soulève une question pressante : quand et comment la majeure partie du gaz quitte-t-elle un système planétaire naissant ?
Dévoilement des secrets du disque planétaire
Une nouvelle étude menée par Naman Bajaj du Laboratoire lunaire et planétaire de l'Université d'Arizona, publiée dans le Journal astronomique, apporte des réponses. En utilisant le Télescope spatial James Webbou JWST, l’équipe a obtenu des images d’un tel système planétaire naissant – également connu sous le nom de disque circumstellaire – en train de disperser activement son gaz dans l’espace environnant.
« Savoir quand le gaz se disperse est important car cela nous donne une meilleure idée du temps dont disposent les planètes gazeuses pour consommer le gaz de leur environnement », a déclaré Bajaj, étudiant en deuxième année de doctorat au Laboratoire lunaire et planétaire de l'UArizona. « Avec un aperçu sans précédent de ces disques entourant les jeunes étoiles, lieux de naissance des planètes, JWST nous aide à découvrir comment les planètes se forment. »
Processus de formation planétaire
Selon Bajaj, au tout début de la formation du système planétaire, les planètes fusionnent en un disque rotatif de gaz et de minuscules poussières autour de la jeune étoile. Ces particules s’agglutinent et forment des morceaux de plus en plus gros appelés planétésimaux. Au fil du temps, ces planétésimaux entrent en collision et se collent les uns aux autres pour finalement former des planètes. Le type, la taille et l'emplacement des planètes qui se forment dépendent de la quantité de matière disponible et de la durée pendant laquelle elle reste dans le disque.
« En bref, l'issue de la formation des planètes dépend de l'évolution et de la dispersion du disque », a déclaré Bajaj.
Au cœur de cette découverte se trouve l'observation de T Cha, une jeune étoile – par rapport au soleil, âgée d'environ 4,6 milliards d'années – enveloppée par un disque circumstellaire en érosion, caractérisé par un vaste trou de poussière, s'étendant sur environ 30 unités astronomiques, ou au, un au étant la distance moyenne entre la Terre et le soleil.
Bajaj et son équipe ont pu, pour la première fois, imager le vent du disque, comme on appelle le gaz lorsqu'il quitte lentement le disque en formation de planète. Les astronomes ont profité de la sensibilité du télescope à la lumière émise par un atome lorsqu'un rayonnement de haute énergie – par exemple, à la lumière des étoiles – enlève un ou plusieurs électrons de son noyau. C’est ce qu’on appelle l’ionisation, et la lumière émise au cours du processus peut être utilisée comme une sorte d’« empreinte digitale » chimique – dans le cas du système T Cha, traçant deux gaz rares, le néon et l’argon. Ces observations marquent également la première détection d’une double ionisation de l’argon dans un disque en formation de planètes, écrit l’équipe dans le journal.
« La signature au néon dans nos images nous indique que le vent du disque provient d'une région étendue éloignée du disque », a déclaré Bajaj. « Ces vents pourraient être provoqués soit par des photons à haute énergie – essentiellement la lumière provenant de l'étoile – soit par le champ magnétique qui traverse le disque formant la planète. »
Influences stellaires et disques en évolution
Dans le but de différencier les deux, le même groupe, dirigé cette fois par Andrew Sellek, chercheur postdoctoral à l'Université de Leiden aux Pays-Bas, a réalisé des simulations de la dispersion provoquée par les photons stellaires, la lumière intense provenant de la jeune étoile. Ils ont comparé ces simulations aux observations réelles et ont découvert que la dispersion par des photons stellaires de haute énergie pouvait expliquer les observations et ne pouvait donc pas être exclue. Cette étude a conclu que la quantité de gaz se dispersant chaque année à partir du disque T Cha est équivalente à celle de la Lune terrestre. Ces résultats seront publiés dans un article complémentaire, actuellement en cours de révision avec l'Astronomical Journal.
Bien que des signatures de néon aient été détectées dans de nombreux autres objets astronomiques, elles n'étaient pas connues pour provenir de disques de faible masse formant des planètes jusqu'à leur première découverte en 2007 avec le prédécesseur de JWST, NASALe télescope spatial Spitzer de, par Ilaria Pascucci, professeur au LPL, qui les a rapidement identifiés comme traceurs de vents de disque. Ces premières découvertes ont transformé les efforts de recherche axés sur la compréhension de la dispersion des gaz à partir des disques circumstellaires. Pascucci est le chercheur principal du projet d'observation le plus récent et co-auteur des publications rapportées ici.
« Notre découverte d'une émission de néon résolue spatialement – et la première détection d'argon doublement ionisé – à l'aide du télescope spatial James Webb pourrait devenir la prochaine étape vers la transformation de notre compréhension de la façon dont le gaz s'échappe d'un disque en formation de planète », a déclaré Pascucci. « Ces informations nous aideront à avoir une meilleure idée de l'histoire et de l'impact sur notre propre système solaire. »
En outre, le groupe a également découvert que le disque interne de T Cha évolue sur des échelles de temps très courtes, plusieurs décennies ; ils ont constaté que le spectre observé par JWST diffère du spectre détecté précédemment par Spitzer. Selon Chengyan Xie, doctorant de deuxième année au LPL qui dirige ce travail en cours, ce décalage pourrait s'expliquer par un petit disque asymétrique à l'intérieur de T Cha qui a perdu une partie de sa masse au cours des 17 années qui ont suivi. écoulé entre les deux observations.
« Avec les autres études, cela suggère également que le disque de T Cha est à la fin de son évolution », a déclaré Xie. « Nous pourrons peut-être assister à la dispersion de toute la masse de poussière du disque interne de T Cha au cours de notre vie. »
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Vents galactiques de changement capturés par le télescope spatial Webb.
Les co-auteurs des publications incluent Uma Gorti du SETI Institute, Richard Alexander de l'Université de Leicester, Jane Morrison et Andras Gaspar du Steward Observatory de l'UArizona, Cathie Clarke de l'Université de Cambridge, Giulia Ballabio de collège impérial de Londreset Dingshan Deng du Laboratoire lunaire et planétaire.
