La théorie de la formation des planètes a été quelque chose d'un mystère durable pour les scientifiques. Alors que les astronomes ont une assez bonne compréhension de l'origine des systèmes planétaires - c'est-à-dire des disques protoplanétaires de poussière et de gaz autour de nouvelles étoiles (alias «Théorie nébulaire») - une compréhension complète de la façon dont ces disques deviennent finalement des objets assez grands pour s'effondrer sous leur propre la gravité est restée insaisissable.
Mais grâce à une nouvelle étude d'une équipe de chercheurs de France, d'Australie et du Royaume-Uni, il semble que la pièce manquante du puzzle ait finalement pu être retrouvée. À l'aide d'une série de simulations, ces chercheurs ont montré comment les «pièges à poussière» - c'est-à-dire les régions où des fragments de la taille de cailloux pourraient s'accumuler et se coller - sont suffisamment communs pour permettre la formation de planétésimaux.
Leur étude, intitulée «Pièges à poussière auto-induits: surmonter les obstacles à la formation des planètes», a été publiée récemment dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.Dirigée par le Dr Jean-François Gonzalez - du Centre de recherche astrophysique de Lyon (CRAL) en France - l'équipe a examiné le stade intermédiaire gênant de la formation planétaire qui a tourmenté les scientifiques.
Jusqu'à récemment, le processus par lequel les disques protoplanétaires de poussière et de gaz s'agglomèrent pour former des objets de la taille d'un colporteur, et le processus par lequel les planétésimaux (objets qui ont une centaine de mètres ou plus de diamètre) forment des noyaux planétaires, étaient bien compris. Mais le processus qui relie ces deux - où les cailloux se réunissent pour former des planétésimaux - est resté inconnu.
Une partie du problème vient du fait que le système solaire, qui a été notre seul cadre de référence pendant des siècles, s'est formé il y a des milliards d'années. Mais grâce aux découvertes récentes (3453 exoplanètes confirmées et dénombrement), les astronomes ont eu de nombreuses opportunités d'étudier d'autres systèmes qui sont à divers stades de formation. Comme l'explique le Dr Gonzalez dans un communiqué de presse de la Royal Astronomical Society:
«Jusqu'à présent, nous avons eu du mal à expliquer comment les cailloux peuvent se réunir pour former des planètes, et pourtant nous avons maintenant découvert un grand nombre de planètes en orbite autour d'autres étoiles. Cela nous a amenés à réfléchir à la manière de résoudre ce mystère. »
Dans le passé, les astronomes pensaient que les «pièges à poussière» - qui font partie intégrante de la formation des planètes - ne pouvaient exister que dans certains environnements. Dans ces régions à haute pression, les gros grains de poussière sont ralentis au point de pouvoir se rassembler. Ces régions sont extrêmement importantes car elles neutralisent les deux principaux obstacles à la formation planétaire, qui sont la traînée et les collisions à grande vitesse.
La traînée est causée par l'effet du gaz sur les grains de poussière, ce qui les fait ralentir et finalement dériver vers l'étoile centrale (où ils sont consommés). Quant aux collisions à grande vitesse, c'est ce qui fait que les gros cailloux se brisent les uns les autres et se brisent, inversant ainsi le processus d'agrégation. Des pièges à poussière sont donc nécessaires pour garantir que les grains de poussière sont suffisamment ralentis pour qu'ils ne s'anéantissent pas lorsqu'ils entrent en collision.
Pour voir à quel point ces pièges à poussière étaient courants, le Dr Gonzalez et ses collègues ont effectué une série de simulations informatiques qui ont tenu compte de la façon dont la poussière dans un disque protoplanétaire pouvait exercer une traînée sur le composant gazeux - un processus appelé «réaction de traînée aérodynamique ". Alors que le gaz a généralement une influence saisissante sur les particules de poussière, en particulier les anneaux poussiéreux, l'inverse peut être vrai.
Cet effet a été largement ignoré par les astronomes jusqu'à récemment, car il est généralement assez négligeable. Mais comme l'équipe l'a noté, c'est un facteur important dans les disques protoplanétaires, qui sont connus pour être des environnements incroyablement poussiéreux. Dans ce scénario, l'effet de la contre-réaction est de ralentir les grains de poussière se déplaçant vers l'intérieur et de pousser le gaz vers l'extérieur où il forme des régions à haute pression - c'est-à-dire des «pièges à poussière».
Une fois qu'ils ont pris en compte ces effets, leurs simulations ont montré comment les planètes se forment en trois étapes de base. Au premier stade, les grains de poussière grossissent et se déplacent vers l'étoile centrale. Dans le second, les grains plus gros de la taille d'un galet s'accumulent et ralentissent. Dans la troisième et dernière étape, le gaz est poussé vers l'extérieur par la contre-réaction, créant les régions de piège à poussière où il s'accumule.
Ces pièges permettent ensuite aux cailloux de s'agréger pour former des planétésimaux, et éventuellement des mondes de la taille d'une planète. Avec ce modèle, les astronomes ont maintenant une solide idée de la façon dont la formation planétaire passe des disques poussiéreux aux planétésimaux se réunissant. En plus de résoudre une question clé sur la naissance du système solaire, ce type de recherche pourrait s'avérer vital dans l'étude des exoplanètes.
Les observatoires terrestres et spatiaux ont déjà noté la présence d'anneaux sombres et brillants qui se forment dans les disques protoplanétaires autour d'étoiles lointaines - qui seraient des pièges à poussière. Ces systèmes pourraient fournir aux astronomes une chance de tester ce nouveau modèle, car ils regardent les planètes se rassembler lentement. Gonzalez a indiqué:
«Nous avons été ravis de découvrir qu'avec les bons ingrédients en place, des pièges à poussière peuvent se former spontanément dans un large éventail d'environnements. Il s'agit d'une solution simple et robuste à un problème de longue date dans la formation des planètes. »
