La chasse à d'autres planètes dans notre galaxie s'est réchauffée au cours des dernières décennies, avec 3869 planètes détectées dans 2886 systèmes et 2898 autres candidats en attente de confirmation. Bien que la découverte de ces planètes ait beaucoup appris aux scientifiques sur les types de planètes qui existent dans notre galaxie, il y a encore beaucoup de choses que nous ignorons sur le processus de formation planétaire.
Pour répondre à ces questions, une équipe internationale a récemment utilisé le réseau Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) pour mener la première enquête à grande échelle et à haute résolution des disques protoplanétaires autour des étoiles proches. Connu sous le nom de projet de sous-structures de disque à haute résolution angulaire (DSHARP), ce programme a produit des images haute résolution de 20 systèmes voisins où la poussière et le gaz étaient en train de former de nouvelles planètes.
Leurs résultats ont été partagés dans une série de dix articles qui devraient paraître dans un numéro spécial de The Astrophysical Journal Letters. L'équipe responsable comprenait des membres du Harvard Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), de l'Observatoire conjoint ALMA et de plusieurs observatoires, instituts de recherche et universités.
Dans chaque cas, les chercheurs du DSHARP ont noté la présence de lacunes dans le disque qui étaient loin de l'étoile centrale et semblaient délimiter les parties intérieure et extérieure du disque. Les anneaux résultants étaient également densément emballés ou formaient des bandes plus minces, selon leur distance de l'étoile. Ces schémas, ont-ils indiqué, pourraient être le résultat d'un compagnon planétaire invisible qui perturbe le disque.
Une autre possibilité est que les structures des disques soient soumises à une instabilité globale similaire à celles observées dans les galaxies spirales (comme la Voie lactée). Selon les chercheurs, l'explication la plus convaincante est que de grandes planètes (telles que des géantes gazeuses) se formaient principalement à l'extérieur des disques, ce qui indiquerait que la formation des planètes se produit beaucoup plus rapidement que ne le permettent les théories actuelles sur la formation des planètes.
Cette explication possible aiderait également à expliquer comment les planètes terrestres (c'est-à-dire rocheuses et de taille similaire à la Terre) qui se forment plus près de leurs étoiles sont capables de survivre aux premiers stades de leur formation. Sean Andrews, astronome au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) et l'un des leaders * de la campagne d'observation de l'ALMA, a expliqué la signification de ces résultats dans un communiqué de presse du NRAO:
«Le but de cette campagne d'observation de plusieurs mois était de rechercher des similitudes structurelles et des différences dans les disques protoplanétaires. La vision remarquablement nette d'ALMA a révélé des structures inédites et des motifs d'une complexité inattendue. Nous voyons des détails distincts autour d'un large assortiment de jeunes stars de masses diverses. L'interprétation la plus convaincante de ces caractéristiques très diverses et à petite échelle est qu'il y a des planètes invisibles qui interagissent avec le matériau du disque. »
Selon les principaux modèles de formation des planètes, les planètes naissent par l'accumulation progressive de poussière et de gaz à l'intérieur d'un disque protoplanétaire. Cela commence par des grains de poussière qui fusionnent pour former des roches de plus en plus grosses jusqu'à ce que des astéroïdes, des planestesimales et des planètes émergent. On pense que ce processus prend des millions d'années, ce qui signifie que les disques protoplanétaires des systèmes plus anciens en seraient plus affectés par la visibilité.
Cependant, les premières observations menées par ALMA ont indiqué que de nombreux jeunes disques protoplanétaires avaient des structures bien définies comme des anneaux et des lacunes. Ces caractéristiques sont généralement associées à la présence de planètes, et ont même été trouvées dans quelques systèmes qui n'avaient qu'un million d'années. Comme l'explique Jane Huang, étudiante diplômée au CfA et membre de l'équipe de recherche:
«Il était surprenant de voir des signatures possibles de la formation de la planète dans les toutes premières images haute résolution de jeunes disques. Il était important de savoir s'il s'agissait d'anomalies ou si ces signatures étaient courantes sur les disques. »
Étant donné que le premier ensemble d'échantillons était si petit, la campagne DSHARP a été montée pour observer d'autres disques protoplanétaires à des fins de comparaison. Comme les particules de poussière sont connues pour briller dans la longueur d'onde millimétrique, l'équipe de la campagne a pu utiliser le réseau ALMA pour cartographier avec précision la distribution de densité des ceintures de poussière autour des jeunes systèmes d'étoiles et (en fonction de la distance de l'étoile) pour cartographier les caractéristiques comme petites comme quelques unités astronomiques.
En fin de compte, l'équipe de recherche a constaté que de nombreuses sous-structures (c'est-à-dire des espaces concentriques et des anneaux étroits) étaient communes à presque tous les disques, tandis que les modèles en spirale à grande échelle et les caractéristiques en forme d'arc étaient plus rares. Ils ont également constaté que les disques et les lacunes étaient présents à une large gamme de distances de leurs étoiles hôtes - allant de quelques UA à plus de cent.
Comme indiqué, ces observations pourraient aider à résoudre un mystère durable en ce qui concerne les théories de la formation des planètes. Plus précisément, les astronomes se sont demandé comment les planètes pourraient se former lorsque la dynamique d'un disque protoplanétaire lisse ferait tomber tout corps de plus d'un centimètre de diamètre dans son étoile hôte. Dans ces circonstances, les objets rocheux plus gros qu'un astéroïde ne devraient pas exister.
Essentiellement, les anneaux de poussière denses que l'équipe a observés créeraient des perturbations dans le disque, ce qui pourrait créer des zones où les planétésimaux seraient en sécurité et auraient le temps nécessaire pour se développer en planètes. Comme Laura Perez, chercheuse à l'Université du Chili et membre de l'équipe de recherche, l'a indiqué:
«Lorsque ALMA a vraiment révélé ses capacités avec son image emblématique de HL Tau, nous avons dû nous demander s'il s'agissait d'une valeur aberrante, car le disque était relativement massif et jeune. Ces dernières observations montrent que, bien que frappant, HL Tau est loin d'être inhabituel et peut en fait représenter l'évolution normale des planètes autour des jeunes étoiles. »
Cette recherche montre la puissance que les instruments de pointe et les collaborations scientifiques ont aujourd'hui. Grâce à la capacité de voir plus et de voir plus loin, les scientifiques sont en mesure de tester des théories astronomiques comme jamais auparavant. Et dans le processus, nos notions les plus fondamentales sur la façon dont l'Univers a vu le jour sont confirmées et remises en question.
Assurez-vous de profiter de cette animation de ce à quoi ressemble un disque protoplanétaire, gracieuseté du programme NRAO Outreach:
* Les autres responsables de la campagne d'observation de l'ALMA sont Andrea Isella de l'Université Rice, Laura Pérez de l'Université du Chili et Cornelis Dullemond de l'Université Heidelberg.
