Les disques stellaires nous révèlent les secrets de l'apparition des planètes

Des images détaillées de disques tournant autour de jeunes étoiles donnent les détails de l'apparence du système solaire.

[ cliquable ]

Au cours des deux derniers siècles et demi, les scientifiques qui ont essayé d'imaginer l'apparition de systèmes planétaires (y compris le nôtre) se sont concentrés sur un certain point: un disque tournant autour d'une étoile récemment née , dans laquelle les planètes sont moulées à partir de gaz et de poussière, comme si de l'argile sur une roue de potier.

Mais qu'en est-il de la vérification expérimentale de cette idée, de la vraie découverte d'exoplanètes collées les unes aux autres à partir de morceaux de matière tourbillonnante? Jusqu'à présent, sans succès. «Aujourd'hui, tout le monde dit que les planètes sont formées de disques protoplanétaires», explique Rubin Dong , astrophysicien à l'Université d'Arizona. "Mais cette proposition, à proprement parler, est une déclaration théorique."

Les réalisations de ces dernières années indiquent qu'il ne restera pas longtemps théorique. À l'aide d'instruments de deuxième génération situés sur des télescopes géants au sol, plusieurs équipes ont finalement pu examiner l'intérieur de plusieurs disques protoplanétaires, révélant des images inattendues et mystérieuses.

Les observations les plus récentes ont eu lieu le 11 avril, lorsque l' Observatoire européen austral a publié huit images de disques entourant de jeunes étoiles semblables au soleil, qui nous montrent peut-être à quoi ressemblait notre système solaire dans la petite enfance.

Les images ne montrent pas de points de lumière clairs et non ambigus qui indiqueraient les planètes. Mais ces systèmes et d'autres contiennent encore des indices séduisants, bien qu'indirects, que des planètes nouveau-nés peuvent s'y cacher. Certains disques ressemblent à un disque vinyle, avec des anneaux et des lacunes qui pourraient être sculptés par de jeunes mondes. Dans d'autres disques, l'étoile met en évidence les surfaces supérieure et inférieure, formant une structure ressemblant au yo-yo.

Si les astronomes pouvaient trouver le germe de la planète dans un tel endroit, le gain serait important. Cela ne prouverait pas seulement l'une des idées les plus profondes de l'astronomie - une mesure numérique de l'endroit où la planète est formée et de sa taille aiderait immédiatement à juger les théories belligérantes de la formation des planètes.

Une opinion sur la formation des planètes s'appelle l'accrétion du noyau, et dit que les planètes se forment lentement, s'accumulant autour des noyaux rocheux, dans les régions proches de leur étoile. Une autre théorie fait référence aux instabilités gravitationnelles du disque, suggérant que les planètes géantes peuvent s'agglutiner rapidement et loin de leur étoile. Maintenant, ces idées peuvent être testées sur la distribution de planètes connues dans notre système solaire et dans les systèmes extrasolaires. Mais ils n'ont jamais été étudiés par l'exemple du processus en cours, avant que les planètes aient eu la chance de migrer et de réorganiser leur ordre.

Cela donne aux astronomes étudiant ces systèmes un objectif inachevé unificateur. Regardez les roues ternes, distantes et dentelées. Chassez les jeunes planètes. Enfin, après des siècles d'anticipation, commencez à découvrir les processus fondamentaux qui façonnent les mondes de l'univers.

Détection directe

Dans la recherche de planètes dans les disques protoplanétaires, il est facile de se convaincre que nous les voyons. Les astronomes qui étudient ces disques ont déjà remarqué de nombreux points de lumière qui s'y cachent. Par exemple, le 6 mai, un groupe international a signalé des signes d'une planète géante se cachant dans le système CS Chameleon. Mais pour l'instant, ces points restent candidats pour les planètes, et non confirmés par les mondes.


Le système Chameleon CS cache ce qui ressemble à un petit compagnon - marqué d'un cercle en pointillés. Des filtres polarisants spéciaux (image bleue) permettent de voir le disque de poussière avec un objet caché.

«Nous sommes désormais à la pointe de la technologie», a déclaré Catherine Folett , astronome à Amherst College. "En ce qui concerne les planètes à l'intérieur des disques, absolument tous ces cas font l'objet d'un débat houleux."

L'un des principaux outils de recherche est SPHERE , monté sur le très grand télescope au Chili, dans le désert d'Atacama. Il a pris huit photographies récentes de disques protoplanétaires. L'autre, celui sur lequel Folett fonctionne, est le Gemini Planet Imager (GPI), un outil concurrent situé sur une autre montagne du Chili.


Le disque entourant TW Hydra a des anneaux qui peuvent nous révéler les planètes qui s'y cachent.

Les deux ont été conçus pour capturer des photons provenant de planètes en orbite autour d'autres étoiles, contrairement à la plupart des autres études exoplanètes qui reposent sur des caractéristiques indirectes. Les deux produisent des données plus faciles à interpréter après une formation sur des systèmes stellaires anciens et soignés, avec des disques déjà partis.

Ces caméras doivent pouvoir séparer les faibles taches de lumière des étoiles brillantes - c'est comme trouver une luciole assise au bord d'un projecteur éloigné. Ils utilisent l' optique adaptative , une technologie qui suit les fluctuations atmosphériques et modifie l'optique au besoin pour compenser les distorsions. Cela compense l'effet de l'air agité de la Terre et les étoiles dans les images cessent de clignoter, offrant une meilleure résolution. Ils utilisent également des coronographes pour couper la lumière provenant de l'étoile.

De plus, ces caméras, à la recherche de planètes, utilisent une autre astuce: l'imagerie différentielle. Par exemple, SPHERE prend simultanément deux photos à travers différents filtres polarisés. La lumière des étoiles n'a pas de polarisation, donc l'étoile sur les deux images est identique. Il peut être soustrait. Mais lorsque la lumière est diffusée, elle est polarisée. Cela permet aux astronomes d'isoler les photons réfléchis par un disque ou une planète.

Ensuite, les algorithmes recherchent les points restants du monde. Mais dans le cas des planètes dans les disques, l'algorithme peut confondre les amas et les nuages ​​avec de nouveaux mondes.


Les cercles concentriques entourant la jeune étoile HD 163296 sont très probablement créés par des planètes pesant approximativement Saturne, qui nettoient des zones entières de gaz et de poussière.

Folette et ses collègues ont passé ces dernières années à essayer d'analyser ces faux signaux. Ils ont également étudié de mystérieuses planètes candidates, y compris celles qui ne semblaient pas se déplacer en orbite autour de leur étoile parente conformément aux lois du mouvement de Kepler , comme toutes les planètes normales.

Pendant ce temps, un autre chemin vers les planètes s'ouvre. Bien que SPHERE et GPI n'aient pas trouvé de confirmation définitive du monde émergent, ils ont réussi à rendre les photos les plus claires de disques protoplanétaires disponibles.

Quand, enfin, nous avons vu ces disques en détail, nous avons découvert en eux tout un zoo de caractéristiques étranges qui peuvent être associées à la formation de planètes. "Cela a complètement changé l'image", a déclaré Konstantin Batygin , astrophysicien au California Institute of Technology. "Il y a eu une révolution."

Le problème réside dans la comparaison de ces caractéristiques avec les planètes supposées qui en sont la cause. Et c'est assez difficile. "Nous parlons de disques comme des signes de planètes", a déclaré Folette. "Mais si ce sont des signes des planètes, alors nous ne savons pas encore comment les interpréter."

Berceau en spirale

Considérez l'image étonnante, découverte pour la première fois en 2012 . Dans au moins six disques protoplanétaires, quelque chose tord le gaz et la poussière en spirales ressemblant à des coquilles ou aux manchons de galaxies.


Le disque protoplanétaire entourant la jeune étoile du HL Taurus a de nombreux anneaux concentriques. Les astronomes pensent que les planètes en cours de formation y découpent des structures complexes.

Les astronomes ont deux idées principales pour expliquer ce qui crée ces bras en spirale. Les deux sont basés sur l'ancienne théorie vieille de plusieurs décennies des spirales galactiques. Selon cette idée, le gaz et la poussière tournent autour d'une étoile nouveau-née et commencent à s'accumuler à l'image d'un embouteillage paradisiaque. Mais cependant, quelque chose devrait provoquer un trouble primaire.

Les astronomes ont suggéré que dans les étoiles entourées de disques lourds - comme pesant au moins un quart de l'étoile elle-même - des sections instables par gravité peuvent conduire à l'accumulation de matière sous la forme de bras en spirale. Mais les chercheurs ont trouvé de nombreux disques en spirale, dont la masse est bien inférieure à ce seuil, ce qui signifie qu'un autre mécanisme devrait fonctionner ici.

Cela vaut peut-être la peine de blâmer le marionnettiste caché. En 2015, une équipe dirigée par Dong, un astrophysicien de l'Arizona, a créé des simulations qui ont montré comment des planètes géantes, un peu plus grandes que Jupiter, pouvaient faire apparaître des tourbillons en spirale. La planète sera située directement sur la pointe d'un des bras, et fera glisser la spirale derrière elle, se déplaçant en orbite. Dans ce cas, chaque spirale sera une flèche géante pointant vers la victime - une planète en cours d'origine.

En 2016, l'équipe Dong a trouvé des preuves que ces spirales pouvaient être générées par des corps massifs. Dans ce cas, l'objet initiateur de l'étoile HD 100453 était une étoile naine, plus facile à remarquer que la planète. Et elle est devenue une preuve de la viabilité de l'idée. "Après cela, les gens ont commencé à faire davantage confiance à ce modèle", a déclaré Dong.

Trouver une telle planète au bout de la manche fermerait cette chose, mais les astronomes l'attendent toujours. Dans un article récent publié dans The Astrophysical Journal Letters, une équipe dirigée par Bean Wren , chercheur à l'Université Johns Hopkins, a collecté et analysé des données sur la spirale MWC 758, collectées depuis plus de dix ans.


Les bras en spirale entourant l'étoile du MWC 758 pourraient être créés par une planète géante située à l'extrémité d'un des bras

L'analyse de Wren montre que pendant ce temps, les boucles pourraient tourner un peu, environ 6/10 degrés par an. Cette rotation correspond à une planète géante au bout d'une manche qui tourne tous les 600 ans, a déclaré Ren. Mais une telle planète, si elle existe, nous cache toujours.

Bien sûr, même si les spirales sont uniquement liées aux planètes, elles ne nous mèneront pas à tous les mondes nouveau-nés. Dans les simulations, seules les géantes gazeuses sont suffisamment puissantes pour créer des motifs en spirale. De plus petits mondes devront être découverts autrement. De plus, tous les disques protoplanétaires n'ont pas de spirales.

Par exemple, dans aucune des nouvelles photographies SPHERE, les disques formés autour d'étoiles semblables au soleil ont des bras en spirale. Comme l'a dit Henning Avenhaus de l'Institut astronomique Max Planck, cela suggère que l'apparition de spirales est plus efficace autour d'étoiles plus massives. Mais eux et de nombreux autres disques protoplanétaires démontrent autre chose, plus prometteur: les ruptures.

Planètes dans les fissures

À l'automne 2014, des astronomes vérifiant ALMA, un ensemble de plaques de radiotélescopes dans les Andes chiliennes, ont décidé de l'entraîner sur le disque protoplanétaire le plus massif qu'ils pourraient trouver. Lorsque l'image finale montrant des larmes et des anneaux épais dans le système HL Taurus a été affichée, tout le monde s'est figé.

"Et nous avons passé le reste de la réunion à parler de HL Taurus", a déclaré Lucas Chiesa , astronome à l'Université Diego Portales. En étudiant les lacunes, les scientifiques réunis se sont demandé si elles avaient été créées par des planètes. Plus tard, les scientifiques de l'ALMA ont examiné les images d'un autre système voisin, TW Hydra, sur lequel les mêmes lacunes étaient visibles encore plus en détail. Mais aucun des systèmes n'a pu résoudre le débat sur la question de savoir si les ruptures étaient causées par la formation de planètes ou autre chose. "Il y a toujours un débat", a déclaré Chiesa.


Les 66 antennes de l'Observatoire ALMA étudient le ciel au-dessus d'eux sur le plateau de Chinantor dans les Andes chiliennes.

Comme les spirales, les planètes et d'autres effets peuvent changer la forme du gaz. Une planète de milliers et de millions d'années y creusera un sillon. Lorsque vous vous déplacez en orbite, il attirera le matériau du disque vers lui, ainsi que le dispersera de l'orbite , laissant une découpe vide.

Cette gravure gravitaire doit être cumulative. La création d'une spirale nécessite plus que Jupiter - mais des mondes de la taille de Neptune, ou même aussi petits que la Terre, peuvent créer des encoches notables, a déclaré Jeffrey Fang , astrophysicien à l'Université de Californie à Berkeley.

"Toutes ces planètes ont le potentiel de créer des découpes suffisamment profondes pour que nous puissions les voir facilement avec les outils d'aujourd'hui", a-t-il déclaré. Ce qui est important, ces découpes pourraient être notre seule chance dans un proche avenir d'étudier la formation de petites planètes, qui seront encore plus difficiles à remarquer dans le disque que les mondes de la taille de Jupiter.

Qu'est-ce qui peut créer de telles sections, sinon des planètes? Le champ magnétique du disque peut créer des régions turbulentes, accélérant le matériau à partir de zones qui peuvent devenir des "zones mortes" magnétiques vides. Ou des changements brusques dans la composition chimique peuvent créer un écart similaire au travail de la planète. Par exemple, la ligne de neige du système stellaire marque la frontière entre le disque interne chaud, où l'eau existe sous forme de vapeur, et le disque externe, où l'eau gèle en granules solides. Des transitions similaires se produisent dans d'autres substances, par exemple le monoxyde de carbone et l'ammoniac.

Cette confusion oblige les astronomes à chercher la clé d'une réponse. "Au mieux, nous verrons la planète à part", a déclaré Fang. Techniquement, la technologie actuelle ne serait pas en mesure de voir la planète elle-même, mais un disque de matière tombant sur elle autour de la planète. Si un tel signal pouvait être associé à une spirale ou à un espace, cela aiderait les observateurs à mieux comparer les nouveaux mondes et les propriétés des disques.

Attendez, peut-être pas longtemps. "Les photographies les plus intéressantes que j'ai vues n'ont pas encore été publiées", a déclaré Chiesa, qui a refusé d'entrer dans les détails. «Dans les mois à venir, nous pouvons nous attendre à ce que de nombreuses choses très intéressantes sortent.»

Les télescopes de nouvelle génération devraient également pouvoir vous aider. Le télescope spatial James Webb pourra regarder à l'intérieur des disques sur les ondes infrarouges et trouver directement les planètes. Son lancement a récemment été à nouveau retardé, cette fois pour 2020.


Le très grand télescope actuellement en construction au Chili utilisera des lasers pour créer des «étoiles» artificielles dans la haute atmosphère, ce qui permettra aux chercheurs d'éliminer le scintillement du ciel.

Le problème du piégeage du processus de formation des planètes est «un excellent défi scientifique» pour les télescopes de 30 mètres, a déclaré Bruce McIntosh de l'Université de Stanford, qui dirige l'équipe GPI. Des observatoires de cette taille, comme le très grand télescope actuellement en construction au Chili, pourront observer des structures encore plus petites à l'intérieur des disques protoplanétaires.

Et lorsque cela se produit, reconnaître l'observation de la formation de la planète sera une «percée», a déclaré Dong. Ce qui était un conte mathématique sur la naissance des mondes se jouera en temps réel, en données réelles. "Et tout cela est lié à la question fondamentale de notre propre origine."