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Les modèles de for­ma­tion des pla­nètes remis en cause par une protoétoile

Les modèles de for­ma­tion des pla­nètes remis en cause par une protoétoile

En obser­vant avec une très grande pré­ci­sion les chan­ge­ments phy­siques et chi­miques se pro­dui­sant dans le nuage molé­cu­laire entou­rant une pro­toé­toile, une équipe inter­na­tio­nale d’astrophysiciens, inté­grant deux cher­cheurs de l’Institut de pla­né­to­lo­gie et d’as­tro­phy­sique de Grenoble (Ipag), remet en cause les modèles clas­siques de for­ma­tion des planètes.

Selon le modèle géné­ra­le­ment admis, les étoiles se forment au sein de nébu­leuses qui sont de gigan­tesques nuages de gaz (essen­tiel­le­ment de l’hydrogène) et de pous­sières. Sous l’effet de la gra­vi­ta­tion, ces gaz et ces pous­sières se concentrent pour for­mer un cœur pro­tos­tel­laire, ou pro­toé­toile, tan­dis qu’autour on retrouve une enve­loppe et un disque d’accrétion. Ce disque a une taille d’environ 100 uni­tés astro­no­miques (1).
Schéma global de formation d'une étoile Credit American Scientist

Schéma glo­bal de for­ma­tion d’une étoile © American Scientist

C’est dans ce der­nier que se for­me­ront éven­tuel­le­ment les pla­nètes com­pa­gnons de l’étoile. La pro­toé­toile, sous l’effet de sa propre gra­vité, va se contrac­ter de plus en plus et donc s’échauffer. Parvenue à une cer­taine tem­pé­ra­ture cri­tique, la fusion ther­mo­nu­cléaire va pou­voir s’amorcer, trans­for­mant la pro­toé­toile en étoile.

Ce schéma glo­bal de la genèse stel­laire, qui fait consen­sus dans la com­mu­nauté scien­ti­fique des astro­phy­si­ciens, repose presque exclu­si­ve­ment sur des consi­dé­ra­tions théo­riques. On ne dis­po­sait jus­qu’ici que de très peu d’observations et de mesures « réelles ». Par consé­quent, les pro­ces­sus fins de for­ma­tion du disque, ainsi que les chan­ge­ments chi­miques poten­tiel­le­ment asso­ciés, res­taient lar­ge­ment inex­plo­rés. Il était admis que la matière inter­stel­laire pro­ve­nant de l’enveloppe était appor­tée de façon conti­nue et régu­lière dans le disque.
Cecilia Ceccarelli Credit-IPAG

Cécilia Ceccarelli © Ipag

L’équipe inter­na­tio­nale ani­mée par le Dr Nami Sakai de l’Université de Tokyo et qui inclut deux cher­cheuses de l’Ipag, Cécilia Ceccarelli et Claudine Kahane, a mon­tré que les choses n’é­taient pas si simples. La for­ma­tion du disque s’accompagne de chan­ge­ments dras­tiques de la com­po­si­tion chi­mique de celui-ci. Dans ce tra­vail, les cher­cheurs se sont inté­res­sés à un objet céleste remar­quable, le “noyau de nuage molé­cu­laire” L1527, situé dans le nuage molé­cu­laire du Taureau, appar­te­nant lui-même à la constel­la­tion (2) du Taureau, à envi­ron 450 années-lumière (3) de la Terre.
Ces cher­cheurs ont uti­lisé pour leurs études un gigan­tesque radio inter­fé­ro­mètre (4), dénommé Alma (5), situé à 5000 m d’altitude dans le désert de Atacama au Chili. Cet appa­reil est actuel­le­ment le plus sen­sible et le plus per­for­mant au monde. Il pré­sente, dans les lon­gueurs d’onde mil­li­mé­triques et sub-mil­li­mé­triques (lon­gueur d’onde située entre l’infra-rouge et les ondes radio) une capa­cité de réso­lu­tion équi­va­lente à un téles­cope de 18,5 km de diamètre !
Constellation du Taureau-Crédit-David de Martin-Caltech

Constellation du Taureau © David de Martin-Caltech

Ces lon­gueurs d’onde sont par ailleurs les plus appro­priées pour étu­dier le rayon­ne­ment émis par ces nuages molé­cu­laires (nuages froids inter­si­dé­raux), ainsi que les toutes pre­mières galaxies. L’analyse du rayon­ne­ment à ces lon­gueurs d’onde est par consé­quent la méthode de choix pour étu­dier les condi­tions phy­sico-chi­miques régnant dans les nuages molé­cu­laires, là où les étoiles naissent.
Le Radiotéléscope ALMA-Crédit ESO

Le Radiotélescope Alma © Eso

En se fon­dant sur les lois com­plexes de la méca­nique quan­tique et grâce à Alma, les cher­cheurs ont pu effec­tuer un cer­tain nombre de mesures des “lignes spec­trales” qui sont en fait de véri­table “mar­queurs” de l’évolution phy­sico-chi­mique de diverses molé­cules, par­ti­cu­liè­re­ment abon­dantes dans les nuages molé­cu­laires. Il s’agit notam­ment de molé­cules car­bo­nées de type c- C2H2 ou encore du monoxyde de soufre, SO.
Ces tra­vaux, d’une extrême com­plexité, ont per­mis d’avoir une bien meilleure com­pré­hen­sion des phé­no­mènes se dérou­lant au niveau du disque gazeux entou­rant la protoétoile.
1. A l’inverse de ce qui était géné­ra­le­ment admis, les molé­cules car­bo­nées men­tion­nées plus haut dis­pa­raissent presque com­plè­te­ment dans la phase gazeuse située dans un rayon de 100 AU autour de la pro­toé­toile. Cette dis­tance cor­res­pond au rayon de la bar­rière cen­tri­fuge. C’est une région où une par­ti­cule issue de l’enveloppe ne peut plus conti­nuer à “tom­ber” à cause de la force cen­tri­fuge. Gravitation et force cen­tri­fuge s’équilibrent à cet endroit. Là, toute l’énergie ciné­tique de la par­ti­cule est conver­tie en éner­gie de rota­tion. Les par­ti­cules sont donc blo­quées dans la région supé­rieure de cette bar­rière cen­tri­fuge et une par­tie d’entre elles sera pro­gres­si­ve­ment trans­fé­rée au disque intérieur.
2. Ce résul­tat est en accord avec la dis­tri­bu­tion des molé­cules de monoxyde de soufre (SO) qui est éga­le­ment spé­ci­fi­que­ment loca­li­sée dans une struc­ture en anneau située au niveau de la bar­rière cen­tri­fuge (à 100 AU de la proto-étoile).
3. En outre, la tem­pé­ra­ture des molé­cules de monoxyde de soufre est plus éle­vée que celle de cette même molé­cule dans le gaz tom­bant de l’enveloppe. Cela signi­fie que ce gaz en tom­bant pro­duit un choc faible, géné­ra­teur de cha­leur, lorsqu’il pénètre dans le bord exté­rieur du disque autour de la bar­rière centrifuge.
Représentation d'artiste de la région L1527, montrant la protoétoile au centre, le disque, l'anneau riche en SO et l'enveloppe -Crédit IPAG/ESO.

Représentation d’ar­tiste de la région L1527, mon­trant la pro­toé­toile au centre, le disque, l’an­neau riche en SO et l’en­ve­loppe ‑Crédit Ipag/Eso.

4. La tem­pé­ra­ture du gaz inter­stel­laire est donc aug­men­tée autour de la bar­rière cen­tri­fuge per­met­tant aux molé­cules de monoxyde de soufre, ini­tia­le­ment gelées sur des grains de pous­sière, d’être libé­rées dans la phase gazeuse. Les ana­lyses spec­trales du monoxyde de soufre confirment par consé­quent l’existence de ce front de for­ma­tion du disque. Elles confirment éga­le­ment que la plu­part de molé­cules sont éli­mi­nées des grains de pous­sière dans le disque après leur pas­sage par le front.
Cette étude, démon­trant clai­re­ment un chan­ge­ment radi­cal de la com­po­si­tion chi­mique asso­ciée à la for­ma­tion de disque autour d’une jeune pro­toé­toile, est tout à fait ori­gi­nale et nou­velle. Cette approche expé­ri­men­tale, à la fois phy­sique et chi­mique, a éga­le­ment mis en lumière la place cen­trale occu­pée par cette par­tie la plus éloi­gnée du disque, la bar­rière de cen­tri­fu­ga­tion, où le gaz « tom­bant » de l’enveloppe conti­nue à s’accumuler.
Ce résul­tat excep­tion­nel est en grande par­tie dû aux remar­quables per­for­mances du sys­tème Alma. D’autres études seront, à n’en pas dou­ter, entre­prises dans d’autres régions géné­ra­trices de jeunes étoiles. Il sera par­ti­cu­liè­re­ment pas­sion­nant de regar­der si le modèle de for­ma­tion décrit ici avec L1527 est extra­po­lable à d’autres sys­tèmes géné­ra­teurs de protoétoiles.
Il sera éga­le­ment inté­res­sant de cher­cher à savoir, par diverses ana­lyses sur les comètes et les asté­roïde de notre sys­tème solaire, si celui-ci pré­sente des ana­lo­gies avec ce qui a été mis en évi­dence dans la pré­sente étude.
Patrick Seyer
Pour en savoir plus :

Change in the che­mi­cal com­po­si­tion of infal­ling gas for­ming a disk around a protostar

Nature 507, 78 – 80 doi:10.1038/nature13000. Publié en ligne le 12 février 2014.

Glossaire
  1. Unité astro­no­mique : unité uti­li­sée pour mesu­rer les dis­tances entre des objets célestes. Une unité astro­no­mique équi­vaut à la dis­tance Terre-Soleil, soit envi­ron 150 mil­lions de kilomètres.
  2. Constellations : ce sont des figures ima­gi­naires for­mées par des groupes d’é­toiles pro­je­tées sur la voute céleste. L’union astro­no­mique inter­na­tio­nale divise le ciel en 88 constel­la­tion (source Wikipedia).
  3. Année lumière : unité de dis­tance cos­mique. C’est la dis­tance par­cou­rue par la lumière en une année. Une seconde lumière vaut 300 000 km !
  4. Radio-inter­fé­ro­mètre : ins­tru­ment de mesure fondé sur les cal­cul des inter­fé­rences des signaux obser­vées en bra­quant plu­sieurs téles­copes simul­ta­né­ment sur un même objet céleste.
  5. Alma : Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (en fran­çais Vaste réseau d’an­tennes (sub) – mil­li­mé­triques de l’Atacama).

Patrick Seyer

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