Secrets of Rapid Planet Formation: Protoplanetary Puzzles Solved at Hyper SpeedLes secrets de la formation rapide des planètes : énigmes protoplanétaires résolues à une vitesse supersonique

Illustration d'un modèle montrant comment les 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 entraîner la poussière dans des zones en dehors de leur orbite. Crédit : © Thomas Zankl / crushedeyesmedia / LMU

Des chercheurs ont développé un nouveau modèle de formation des planètes montrant comment des perturbations dans les disques protoplanétaires peuvent rapidement former des géantes gazeuses. Ce processus est plus efficace que précédemment pensé et correspond à des 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, Vénus, la Terre et Mars ; puis la ceinture d'astéroïdes ; suivies des géantes gazeuses Jupiter et Saturne ; puis des géantes de glace Uranus et Neptune ; et enfin la ceinture de Kuiper avec ses comètes.

Mais à quel point connaissons-nous vraiment notre maison ? Les théories précédentes ont supposé que les géantes planètes se forment par des collisions et des accumulations de corps célestes de type astéroïde, appelés planétésimaux, et l'accrétion de gaz subséquente sur des millions d'années. Cependant, ces modèles n'expliquent ni l'existence de géantes gazeuses situées loin de leurs étoiles ni la formation d'Uranus et Neptune.

Les astrophysiciens de l'Université Ludwig Maximilian de Munich (LMU), du cluster ORIGINS et de l'Institut Max Planck de recherche sur le système solaire (MPS) ont développé le tout premier modèle intégrant tous les processus physiques nécessaires qui jouent un rôle dans la formation des planètes. En utilisant ce modèle, ils ont montré que des perturbations annulaires dans les disques protoplanétaires, appelées sous-structures, peuvent déclencher la formation rapide de plusieurs géantes gazeuses. Les résultats de l'étude correspondent aux dernières observations et indiquent que la formation de géantes planètes pourrait se produire de manière plus efficace et rapide que précédemment pensé.

“Lorsqu'une planète atteint une taille suffisante pour influencer le disque de gaz, cela conduit à un nouvel enrichissement en poussière plus loin dans le disque. Dans le processus, la planète entraîne la poussière – comme un chien de berger poursuivant son troupeau – dans la zone en dehors de sa propre orbite.” — Prof. Til Birnstiel

Avec leur modèle, les chercheurs démontrent comment les particules de poussière de taille millimétrique s'accumulent de manière aérodynamique dans le disque de gaz turbulent, et comment cette perturbation initiale dans le 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 beaucoup de “matériau de construction” est disponible dans une zone compacte et les bonnes conditions pour la formation des planètes sont présentes.

“Lorsqu'une planète atteint une taille suffisante 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 cluster ORIGINS d'Excellence. “Dans le processus, la planète entraîne la poussière – comme un chien de berger poursuivant son troupeau – dans la zone en dehors de sa propre orbite.” Le processus recommence, de l'intérieur vers l'extérieur, et une autre géante planète peut se former. “C'est la première fois qu'une simulation retrouve le processus selon lequel la fine poussière se transforme en géantes planètes,” observe Tommy Chi Ho Lau, principal auteur de l'étude et doctorant à la LMU.

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. Pour comparaison, la Terre est 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 très rapidement. Ces systèmes ont été fréquemment observés ces dernières années par l'observatoire radio ALMA, qui a trouvé des géantes gazeuses dans de jeunes disques à une distance au-delà de 200 ua. Cependant, le modèle explique également pourquoi notre système solaire aurait apparemment cessé de former des planètes supplémentaires après Neptune : le matériau de construction était simplement épuisé.

Les résultats de l'étude correspondent aux observations actuelles des jeunes systèmes planétaires qui présentent des sous-structures prononcées dans leurs disques. Ces sous-structures jouent un rôle décisif dans la formation des planètes. L'étude indique que la formation des géantes planètes et des géantes gazeuses se déroule avec plus d'efficacité et de rapidité que précédemment supposé. Ces nouvelles connaissances pourraient affiner notre compréhension de l'origine et du développement des géantes planètes dans notre système solaire et expliquer la diversité des systèmes planétaires observés.

Référence : “Formation séquentielle de géantes planètes initiée par des sous-structures de disque” de Tommy Chi Ho Lau, Til Birnstiel, Joanna Drążkowska et Sebastian Markus Stammler, 31 juillet 2024, Astronomie & Astrophysique. DOI : 10.1051/0004-6361/202450464