lundi 19 septembre 2016

La formation d'une exoneptune observée par Alma


L'étoile TW Hydrae, avec son disque protoplanétaire, est l'une des stars de l'astrophysique. C'est un laboratoire pour comprendre la naissance des exoplanètes. Le télescope Alma, au Chili, semble d'ailleurs y avoir repéré une cousine de Neptune en formation.

On distingue en général deux étapes dans les scénarios de la formation des planètes. La première est dite « hydrodynamique », avec un disque de gaz et de poussières où ces dernières sédimentent et s'agglomèrent pour finir par donner des planétésimaux (il s'agit de blocs rocheux dont les dimensions sont de l'ordre du kilomètre ou de quelques dizaines de kilomètres). La seconde étape fait intervenir essentiellement la force de gravitation, avec des collisions violentes entre les planétésimaux qui conduisent à la naissance des protoplanètes, dont les tailles sont comprises entre 100 et 1.000 kilomètres, puis aux planètes elles-mêmes.

La première étape reste assez mal comprise et la seconde comporte encore des zones d'ombre, notamment en ce qui concerne les géantes gazeuses. Pour y voir plus clair, des observations sont nécessaires et pas seulement des simulations numériques et des calculs analytiques savants basés sur la mécanique des fluides. C'est pourquoi des astrophysiciens qui cherchent à mieux comprendre la naissance du Système solaire, ainsi que des exoplanètes, se sont tournés vers l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma, au Chili).

L'une de leurs principales cibles est TW Hydrae, l'étoile variable de type T Tauri la plus proche du Soleil. Elle n'est âgée que de 5 à 10 millions d'années. Le télescope Hubble a révélé qu'elle était entourée d'un disque protoplanétaire vu par la face. Comme il n'est situé qu'à environ 175 années-lumière de la Terre, dans la constellation de l'Hydre, on peut clairement y voir, avec Alma, des anneaux appauvris en gaz et en poussières.

Sur cette image en fausses couleurs prise par Alma, le disque protoplanétaire autour de l'étoile TW Hydrae est bien visible ainsi que des anneaux moins lumineux. Il s'agit de régions moins denses en gaz et poussières, dépourvues de particules de grandes tailles et qui seraient la manifestation de la présence d'exoplanètes. © Alma (ESO/NAOJ/NRAO), Tsukagoshi et al.

Des sillons creusés dans un disque protoplanétaire par des exoplanètes

En effet, en utilisant deux bandes de fréquences centrées autour de deux valeurs, il est possible d'estimer la taille des grains de matière dans le disque protoplanétaire. Pour faire simple, il faut pour cela faire le quotient des intensités du rayonnement mesurées dans ces bandes. C'est de cette manière que l'on a découvert que l'un des anneaux étudiés contenait surtout des poussières dont la taille est inférieure au micromètre, contrairement aux régions plus denses du disque où les tailles des particules peuvent être plus importantes.

Ces observations sont facilement interprétées dans le cadre des modèles cosmogoniques comme la manifestation de la présence d'exoplanètes en cours de formation qui sont en train de faire le ménage dans le disque en accrétant fortement du gaz et de la poussière. Mais l'action conjointe de la gravitation et de la force de friction entre le gaz et les particules de poussières conduit également les particules les plus massives et les plus grosses à quitter l'anneau, alors que les autres y restent. Une équipe d'astrophysiciens s'est concentrée avec Alma sur un de ces anneaux, celui creusé à environ 22 unités astronomiques dans le disque entourant TW Hydrae. Elle a déposé sur arXiv un article avec les conclusions auxquelles elle est arrivée.

En utilisant les caractéristiques de l'anneau, il est possible d'estimer la masse de matière qui se trouve sous la forme d'une exoplanète. En fonction de sa distance à son étoile centrale, au-delà de la fameuse ligne des glaces, on peut alors en conclure qu'il doit s'agir d'une planète géante ressemblant à Neptune, avec donc un important manteau constitué de plusieurs types de glaces (pas seulement de l'eau) entourant un noyau rocheux et une atmosphère épaisse.

Si tel est bien le cas, on dispose donc d'un laboratoire pour mieux étudier la naissance non seulement de Neptune mais aussi d'Uranus. Cela devrait aussi nous aider à mieux comprendre indirectement la naissance de Jupiter et de Saturne qui, elles, ne contiennent pas un manteau de glaces aussi important.