Illustration informatique représentant deux disques protoplanétaires. Ces disques de gaz et de poussière abritent des planétésimaux, les graines de nouvelles planètes. Les astrophysiciens du RIKEN ont mis au point un modèle qui explique comment la poussière évite de tomber vers l’étoile suffisamment longtemps pour se coaliser et former des planétésimaux de plusieurs kilomètres de diamètre. Crédit : Mark Garlick/Science Photo Library
En s’amassant dans des régions à haute densité, les grains de poussière évitent de dériver vers l’étoile autour de laquelle ils gravitent.
Une étape clé dans la formation de nouvelles planètes pourrait avoir été découverte par un nouveau modèle théorique d’un disque protoplanétaire développé par un astrophysicien du RIKEN et deux collaborateurs, qui explique comment la poussière du disque surmonte sa tendance à dériver vers l’étoile.
Les planètes naissent à partir d’un disque tourbillonnant de poussière et de gaz qui entoure une jeune étoile, mais on ne sait pas très bien comment les grains de poussière peuvent devenir des objets plus grands avant de s’enfoncer dans la spirale vers l’étoile.
Dans la théorie classique de la formation des planètes, de minuscules particules de poussière entrent en collision et se collent les unes aux autres pour former des grains de taille centimétrique. Ces grains s’accumulent progressivement pour former des planétésimaux de la taille d’un kilomètre, première étape importante dans la production d’une nouvelle planète.
Mais les grains de poussière subissent la résistance du gaz dans le disque protoplanétaire. Cela ralentit les grains de poussière, de sorte qu’ils tombent vers l’étoile. La vitesse à laquelle ils tombent augmente au fur et à mesure que les grains de poussière grossissent.
Des études antérieures ont suggéré que cet effet devrait empêcher les grains de former des objets de plus d’un mètre, ce qui pose une énigme majeure aux astronomes. “Divers mécanismes ont été proposés pour expliquer la formation des planétésimaux, mais ils font encore l’objet de débats”, note Ryosuke Tominaga, du laboratoire de formation des étoiles et des planètes du RIKEN.
Tominaga et deux collègues ont maintenant proposé un modèle qui suggère une solution possible à ce problème : de petites variations dans la distribution de la poussière dans le disque protoplanétaire sont rapidement amplifiées en régions de haute et de basse densité de poussière.
Dans les zones de densité légèrement supérieure, la poussière coagule plus efficacement et forme des amas plus importants qui dérivent plus rapidement vers l’étoile. Lorsque ces amas rencontrent des particules de poussière plus petites, ils forment des régions de densité de poussière encore plus élevée, ce qui accélère la croissance des grains. Pendant ce temps, les régions laissées vacantes par les gros amas se retrouvent avec des densités relativement faibles.
L’équipe a découvert que cette rétroaction positive crée de multiples bandes de haute et de basse densité de poussière dans le disque protoplanétaire. Ces bandes peuvent apparaître en l’espace de 10 000 ans environ, un temps remarquablement court pour de tels processus astronomiques. Ces zones de haute densité sont des sites idéaux pour une agrégation supplémentaire, permettant la formation de planétésimaux avant que les grains de poussière ne soient attirés par l’étoile.
“Contrairement aux théories précédentes, ce mécanisme de coagulation fonctionne même lorsqu’il y a beaucoup plus de gaz que de poussière dans le disque protoplanétaire”, explique Tominaga.
L’équipe travaille maintenant sur des modèles plus détaillés qui incluent la formation et l’évolution du disque lui-même, ainsi que la formation éventuelle de planétésimaux.
Référence : “Instabilité de coagulation dans les disques protoplanétaires : A Novel Mechanism Connecting Collisional Growth and Hydrodynamical Clumping of Dust Particles” par Ryosuke T. Tominaga, Shu-ichiro Inutsuka et Hiroshi Kobayashi, 8 décembre 2021, The Astrophysical Journal.
DOI : 10.3847/1538-4357/ac173a
