Illustration d'un modèle montrant comment des géantes gazeuses telles que Jupiter, Saturne ou Uranus pourraient également se former rapidement dans le système solaire à partir de la poussière d'un disque protoplanétaire, puis propulser la poussière dans des zones situées en dehors de leur orbite. Crédit : © Thomas Zankl / crusheyesmedia / LMU
Des chercheurs ont développé un nouveau modèle de formation planétaire qui montre comment les perturbations des disques protoplanétaires peuvent rapidement former des géantes gazeuses. Ce processus est plus efficace qu'on ne le pensait et concorde avec les observations récentes de géantes gazeuses lointaines.
Notre voisinage cosmique immédiat est notre système solaire. Nous le connaissons bien : le Soleil au centre, puis les planètes rocheuses Mercure, VénusTerre et Mars; puis la ceinture d'astéroïdes ; suivie des géantes gazeuses Jupiter et Saturne; puis les géants de glace Uranus et Neptune; et enfin la ceinture de Kuiper avec ses comètes.
Mais connaissons-nous vraiment notre planète ? Les théories précédentes supposaient que les planètes géantes se formaient par collision et accumulation de corps célestes de type astéroïde, appelés planétésimaux, et par accrétion de gaz sur une période de millions d’années. Cependant, ces modèles n’expliquent ni l’existence de géantes gazeuses situées loin de leur étoile, ni la formation d’Uranus et de Neptune.
Modèle innovant de formation des planètes
Des astrophysiciens de l'Université Ludwig Maximilian de Munich (LMU), du cluster ORIGINS et de l'Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire (MPS) a développé le premier modèle intégrant tous les processus physiques nécessaires à la formation des planètes. Grâce à ce modèle, ils ont montré que des perturbations annulaires dans les disques protoplanétaires, appelés sous-structures, peuvent déclencher la formation rapide de plusieurs géantes gazeuses. Les résultats de l'étude concordent avec les dernières observations et indiquent que la formation de planètes géantes pourrait se produire plus efficacement et plus rapidement qu'on ne le pensait jusqu'à présent.
« Lorsqu’une planète devient suffisamment grande pour influencer le disque de gaz, cela conduit à un nouvel enrichissement en poussière plus loin dans le disque. Ce faisant, la planète chasse la poussière – comme un chien de berger poursuivant son troupeau – dans la zone située au-delà de sa propre orbite. »
— Professeur Til Birnstiel
Accumulation dynamique de poussière et croissance planétaire
Grâce à leur modèle, les chercheurs démontrent comment des particules de poussière de la taille d’un millimètre s’accumulent de manière aérodynamique dans le disque de gaz turbulent et comment cette perturbation initiale du disque piège la poussière et l’empêche de disparaître en direction de l’étoile. Cette accumulation rend la croissance des planètes très efficace, car soudainement, une grande quantité de « matériaux de construction » est disponible dans une zone compacte et les conditions propices à la formation des planètes sont réunies.
Jusqu'à Birnstiel. Crédit : Jan Greune / LMU
« Lorsqu’une planète devient suffisamment grande pour influencer le disque de gaz, cela conduit à un nouvel enrichissement en poussière plus loin dans le disque », explique Til Birnstiel, professeur d’astrophysique théorique à la LMU et membre du pôle d’excellence ORIGINS. « Ce faisant, la planète chasse la poussière – comme un chien de berger poursuivant son troupeau – dans la zone située en dehors de sa propre orbite. » Le processus recommence, de l’intérieur vers l’extérieur, et une autre planète géante peut se former. « C’est la première fois qu’une simulation retrace le processus par lequel de fines poussières se transforment en planètes géantes », observe Tommy Chi Ho Lau, auteur principal de l’étude et doctorant à la LMU.
Conséquences pour la formation des géantes gazeuses
Dans notre système solaire, les géantes gazeuses sont situées à une distance d'environ 5 unités astronomiques (UA) (Jupiter) à 30 UA (Neptune) du Soleil. À titre de comparaison, la Terre se trouve à environ 150 millions de kilomètres du Soleil, ce qui équivaut à 1 UA.
L'étude montre que dans d'autres systèmes planétaires, une perturbation pourrait déclencher le processus à des distances beaucoup plus grandes et se produire néanmoins très rapidement. De tels systèmes ont été fréquemment observés ces dernières années par l' ALMA L'observatoire radio a permis de détecter des géantes gazeuses dans des disques jeunes à une distance de plus de 200 UA. Mais le modèle explique aussi pourquoi notre système solaire a apparemment cessé de former d'autres planètes après Neptune : le matériau de construction a tout simplement été épuisé.
Les résultats de l’étude concordent avec les observations actuelles de jeunes systèmes planétaires dont les disques présentent des sous-structures prononcées. Ces sous-structures jouent un rôle déterminant dans la formation des planètes. L’étude indique que la formation des planètes géantes et des géantes gazeuses se déroule avec une efficacité et une rapidité supérieures à ce que l’on pensait jusqu’à présent. Ces nouvelles connaissances pourraient affiner notre compréhension de l’origine et du développement des planètes géantes de notre système solaire et expliquer la diversité des systèmes planétaires observés.
