Illustration d’artiste d’un ex-moon en orbite autour d’une planète géante dans un système solaire lointain. NASA GSFC : Jay Friedlander et Britt Griswold.
Dans la recherche de planètes semblables à la Terre, le scientifique Miki Nakajima de l’Université de Rochester se tourne vers les simulations informatiques de la formation des lunes.
La lune est d’une importance vitale pour faire de la Terre la planète que nous connaissons aujourd’hui : la lune contrôle la longueur du jour et les marées océaniques, qui affectent les cycles biologiques des formes de vie sur notre planète. La lune contribue également au climat de la Terre en stabilisant l’axe de rotation de la Terre, offrant ainsi un environnement idéal pour le développement et l’évolution de la vie.
En raison de l’importance de la lune pour la vie sur Terre, les scientifiques supposent que la lune pourrait être une caractéristique potentiellement bénéfique pour abriter la vie sur d’autres planètes. La plupart des planètes ont des lunes, mais la lune de la Terre se distingue par le fait qu’elle est grande par rapport à la taille de la Terre ; le rayon de la lune est plus grand qu’un quart du rayon de la Terre, un rapport beaucoup plus grand que la plupart des lunes par rapport à leurs planètes.
Miki Nakajima, professeur adjoint en sciences de la terre et de l’environnement à l’université de Rochester, trouve cette distinction importante. Et dans une nouvelle étude qu’elle a dirigée, publiée dans Nature Communicationselle et ses collègues de l’Institut de technologie de Tokyo et de l’Université d’Arizona examinent la formation des lunes et concluent que seuls certains types de planètes peuvent former des lunes de grande taille par rapport à leur planète hôte.
Dans une nouvelle étude, le scientifique de Rochester Miki Nakajima et ses collègues concluent que les plus petites planètes de l’univers sont plus susceptibles d’accueillir les lunes de taille fractionnée qui peuvent être utiles pour abriter la vie sur ces planètes. Crédit : Photo Université de Rochester / J. Adam Fenster
“En comprenant les formations de lunes, nous avons une meilleure contrainte sur ce qu’il faut rechercher lors de la recherche de planètes semblables à la Terre”, explique Nakajima. “Nous nous attendons à ce que les exomoons [moons orbiting planets outside our solar system] devraient être partout, mais jusqu’à présent nous n’en avons pas confirmé. Nos contraintes seront utiles pour les observations futures. “
L’origine de la lune de la Terre
De nombreux scientifiques ont historiquement cru que la grande lune de la Terre avait été générée par une collision entre la proto-Terre – la Terre à ses premiers stades de développement – et une grande, Mars-sized impactor, approximately 4.5 billion years ago. The collision resulted in the formation of a partially vaporized disk around Earth, which eventually formed into the moon.
In order to find out whether other planets can form similarly large moons, Nakajima and her colleagues conducted impact simulations on the computer, with a number of hypothetical Earth-like rocky planets and icy planets of varying masses. They hoped to identify whether the simulated impacts would result in partially vaporized disks, like the disk that formed Earth’s moon.
The researchers found that rocky planets larger than six times the mass of Earth (6M) and icy planets larger than one Earth mass (1M) produce fully—rather than partially—vaporized disks, and these fully-vaporized disks are not capable of forming fractionally large moons.
“We found that if the planet is too massive, these impacts produce completely vapor disks because impacts between massive planets are generally more energetic than those between small planets,” Nakajima says.
After an impact that results in a vaporized disk, over time, the disk cools and liquid moonlets—a moon’s building blocks—emerge. In a fully-vaporized disk, the growing moonlets in the disk experience strong gas drag from vapor, falling onto the planet very quickly. In contrast, if the disk is only partially vaporized, moonlets do not feel such strong gas drag.
“As a result, we conclude that a completely vapor disk is not capable of forming fractionally large moons,” Nakajima says. “Planetary masses need to be smaller than those thresholds we identified in order to produce such moons.”
The search for Earth-like planets
The constraints outlined by Nakajima and her colleagues are important for astronomers investigating our universe; researchers have detected thousands of exoplanets and possible exomoons, but have yet to definitively spot a moon orbiting a planet outside our solar system.
This research may give them a better idea of where to look.
As Nakajima says: “The exoplanet search has typically been focused on planets larger than six earth masses. We are proposing that instead we should look at smaller planets because they are probably better candidates to host fractionally large moons.”
Reference: “Large planets may not form fractionally large moons” by Miki Nakajima, Hidenori Genda, Erik Asphaug and Shigeru Ida, 1 February 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-28063-8
