Des scientifiques découvrent des preuves accidentelles d’une théorie controversée de la formation des planètes

La légende raconte qu’Isaac Newton a conçu pour la première fois le concept de gravitation universelle après qu’une pomme soit tombée sur sa tête, bien que le tristement célèbre morceau de fruit ait pu avoir réellement vient d’atterrir sur le sol à proximité. Néanmoins, accidents et sérendipité ont longtemps joué un rôle important dans le progrès scientifique.

Ce fut le cas de Thayne Currie, astrophysicienne au centre de recherche NASA-Ames et au télescope Subaru. Currie peut avoir découvert le plus jeune de tous les temps protoplanèteainsi que des preuves d’une théorie controversée de la formation des planètes, comme indiqué dans un récent Astronomie naturelle étude.

Tout a commencé en 2016, alors qu’il essayait d’étudier une étoile avec trois protoplanètes possibles autour d’elle. Currie a soudainement rencontré un problème. “Pour une raison quelconque, notre instrument ne pouvait pas bien se verrouiller sur l’étoile”, explique-t-il. “C’était mon plan principal pour la nuit, alors j’ai dû trouver un autre plan – immédiatement.”

Une découverte inattendue

Il avait besoin de recueillir quelques observations, même si peu importait de quel système stellaire elles provenaient. Il est donc parti à la recherche d’un remplaçant. AB Aurigae, une jeune étoile à environ 531 années-lumière de notre soleil, m’est immédiatement venue à l’esprit. C’était une cible relativement facile, avec “un disque protoplanétaire brillant qui avait beaucoup de structure”, dit-il. En termes astrophysiques, la structure fait référence aux variations spatiales, ce qui signifie qu’il y avait beaucoup à regarder dans ce disque.

“Donc, ma pensée était que si nous ciblons cette étoile, nous détecterons quelque chose, et cela sera utile d’une manière ou d’une autre”, note Currie. “Je ne sais pas ce que ce sera, mais ce sera utile d’une manière ou d’une autre.”

D’autres observatoires et instruments avaient déjà examiné Ab Aurigae, mais le télescope Subaru de Mauna Kea, à Hawaï, offre une technologie de pointe. Curry explique. Il affirme également que c’est le meilleur sur la planète pour l’optique adaptative.

En dehors d’un disque multispiral autour d’AB Aurigae, Currie a également noté une tache brillante et particulière au sud de l’étoile. Il a pensé qu’il ne s’agissait que d’un morceau déformé du disque, mais lui et ses collègues l’ont trouvé dans un autre ensemble de données. L’équipe de Currie a ensuite trouvé des preuves que un autre papier avait prédit une planète à cet endroit précis.

Currie a remarqué une goutte inhabituelle sur AB Aurigae qui l’a conduit à une découverte surprenante. (Crédit : T. Currie / Télescope Subaru)

Tout semblait très prometteur, mais Currie note que le domaine de l’investigation des protoplanètes ressemble à un cimetière de revendications non étayées. “Ces affirmations sont fausses depuis très longtemps, vous devez donc être particulièrement prudent”, explique-t-il.

Pourtant, 13 années de données du télescope Hubble ont démontré que la protoplanète hypothétique était en orbite autour de l’étoile et se déplaçait dans le sens antihoraire, conformément à ce que l’on savait sur le disque ; d’autres données suggéraient que la luminosité de la goutte différait de celle du disque. De plus, l’analyse de l’intensité de la lumière polarisée a suggéré que la goutte était également séparée du disque. “Ces éléments de preuve réunis nous donnent l’assurance que nous voyons une protoplanète, plutôt qu’autre chose”, dit-il.

Ce n’est pas non plus n’importe quelle protoplanète. En plus d’être le plus jeune trouvé à ce jour, il est exceptionnellement loin de sa star mère – un 93 complet unités astronomiques (AU). C’est la première chance que les scientifiques ont eue de sonder une protoplanète encore incrustée dans le gaz et la poussière à partir desquels elle s’est formée, explique-t-il, et fournit des preuves d’une théorie controversée de la formation de planètes géantes gazeuses appelée instabilité du disque.

Recettes pour un gaz géant

Le modèle conventionnel, appelé accrétion de noyau, explique que les planètes émergent lorsque des morceaux de matériau rocheux entrent en collision, grossissant progressivement et acquérant plus de gravité. C’est ainsi que les scientifiques pensent que les planètes rocheuses de notre système solaire se sont formées. En 1980, un la théorie proposé par Hiroshi Mizuno a suggéré que des planètes rocheuses suffisamment massives, environ 10 masses terrestres, auraient acquis suffisamment de gravité pour devenir des géantes gazeuses.

Mais dans ce cas, Currie dit que l’instabilité du disque offre une explication plus simple en raison de la grande masse du disque protoplanétaire autour d’AB Aurigae, ainsi que de la distance de la protoplanète à l’étoile. Selon l’hypothèse d’instabilité du disque, un disque protoplanétaire particulièrement massif suffisamment éloigné de l’étoile mère est suffisamment froid et suffisamment grand pour que des parties de celui-ci s’effondrent sous leur propre gravité, formant des bras spiraux. À partir de là, de petites perturbations et instabilités dans les bras créent des poches de gravité, qui attirent la matière. Cela crée un effet d’emballement : au fur et à mesure que la motte grandit, elle acquiert plus de gravité et attire le matériau encore plus rapidement. Finalement, une nouvelle planète se matérialise.

Considérant que le système AB Aurigae a des bras en spirale, et que la protoplanète identifiée par Currie et son équipe est plus massive que Jupiter mais plus de 20 fois plus éloignée de son étoile que Jupiter ne l’est de la nôtre, cela “correspond à ce que nous attendons pour le disque instabilité », dit-il.

B Aurigae est entouré d’un disque protoplanétaire. (Crédit : ESO / Boccaletti et al./Wikimedia Commons)

C’était une bonne nouvelle pour Alan Boss, qui a d’abord proposé la théorie de l’instabilité du disque en 1997. Au cours de sa thèse à l’Université de Californie à Santa Barbara, il a écrit des modèles qui suivent l’effondrement des nuages ​​de gaz et de poussière lorsqu’ils forment des systèmes stellaires. Boss espérait comprendre comment les disques protoplanétaires évoluaient. Mais lorsqu’il a exécuté les modèles, il a découvert que certains systèmes formaient des bras en spirale suffisamment massifs pour s’effondrer sur eux-mêmes. “Je n’essayais pas de trouver un autre moyen de créer une planète”, explique-t-il, “mais je suis tombé dessus.”

Il compare sa théorie à l’hérésie dans la communauté scientifique. Après tout, les premières découvertes d’exoplanètes semblaient remettre en question sa théorie. Les 100 premiers environ Jupiters chauds (géantes gazeuses qui orbitent très près de leur étoile mère, le type d’exoplanète le plus facile à détecter) repérées par les astronomes se sont avérées entourer des étoiles avec des quantités plus élevées de métaux, ou tout élément chimique plus lourd que l’hélium. L’idée était que si vous aviez plus de métaux, vous aviez plus de matériaux pour construire des Jupiter chauds via l’accrétion du noyau, dit-il. Et comme les astronomes trouvaient plus de planètes autour de ces étoiles, cela a été considéré comme la preuve que l’accrétion du noyau formait ces planètes.

“C’était donc magnifique de voir ces [recent] résultats, de ce qui ressemble certainement à une protoplanète au milieu d’un bras en spirale », dit-il. La prochaine étape, à son avis, consiste à établir la taille de la masse qu’ils examinent. Étant donné que l’accrétion du noyau commence petit et se construit, alors que l’instabilité du disque commence grand et se rétrécit (à mesure que le nuage s’effondre pour former la géante gazeuse), il sera crucial de déterminer la taille de la protoplanète.

Des touffes comme preuve

AB Aurigae peut détenir des preuves encore plus solides à l’appui de l’instabilité du disque. L’équipe de Currie a signalé deux zones d’intérêt à des distances astronomiquement plus grandes, à environ 430 à 580 UA de l’étoile. “Morphologiquement, ils ressemblent à des amas”, dit Currie, et “nous les signalons comme des sites potentiels pour la formation de planètes”. S’il s’avère qu’il s’agit de protoplanètes, il ne voit pas comment elles auraient pu se former via l’accrétion du noyau.

Boss dit qu’il a exécuté des modèles d’étoiles d’environ 1,5 masse solaire, qui sont plus petites que AB Aurigae (elle a environ deux masses solaires). “J’ai montré qu’il pouvait facilement produire quatre ou cinq amas massifs”, suffisamment grands pour potentiellement s’effondrer en protoplanètes, dit-il. Donc, si ces autres caractéristiques s’avèrent être liées et en orbite autour de l’étoile, il voit des preuves d’instabilité du disque.

Il a noté que les amas identifiés par l’équipe de Currie seraient très éloignés pour la formation des planètes, même pour l’instabilité du disque. Mais “s’ils sont là et qu’il est difficile pour l’instabilité du disque de les créer, ce serait encore plus difficile pour l’accrétion du cœur”, déclare Boss.

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