Nous avons maintenant vu des disques formant des planètes autour de centaines de jeunes étoiles. Que nous disent-ils ?

Notre système solaire est-il comparable aux autres systèmes solaires ? À quoi ressemblent les autres systèmes ? Nous savons, grâce à des études sur les exoplanètes, que de nombreux autres systèmes ont des Jupiter chauds, des géantes gazeuses massives qui orbitent extrêmement près de leurs étoiles. Est-ce normal, et notre système solaire est la valeur aberrante ?

Une façon d’aborder ces questions est d’étudier les disques de formation de planètes autour des jeunes étoiles pour voir comment elles évoluent. Mais étudier un large échantillon de ces systèmes est le seul moyen d’obtenir une réponse. C’est donc ce qu’un groupe d’astronomes a fait lorsqu’ils ont sondé 873 disques protoplanétaires.

La masse est l’élément critique d’une nouvelle étude sur les disques de formation de planètes. La masse du disque détermine la quantité de matière disponible pour former les planètes. En mesurant la masse des disques autour des jeunes étoiles, les astronomes peuvent contraindre la masse totale des planètes qui pourraient s’y former et se rapprocher de la compréhension de l’architecture du système solaire.

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La nouvelle étude s’intitule “Survey of Orion Disks with ALMA (SODA): I. Cloud-level démographiques of 873 protoplanetary disks”. Il est publié dans la revue Astronomy and Astrophysics, et l’auteur principal est Sierk van Terwisga, scientifique à l’Institut Max Planck d’astronomie à Heidelberg, en Allemagne.

“Jusqu’à présent, nous ne savions pas avec certitude quelles propriétés dominent l’évolution des disques de formation de planètes autour des jeunes étoiles”, a déclaré van Terwisga dans un communiqué de presse. “Nos nouveaux résultats indiquent maintenant que dans des environnements sans aucune influence externe pertinente, la masse de disque observée disponible pour former de nouvelles planètes dépend uniquement de l’âge du système étoile-disque.”

La masse de poussière n’indique pas seulement aux astronomes la masse des planètes qui pourraient se former à partir d’un disque. Selon l’âge du disque, il pourrait également indiquer aux astronomes quelles planètes se sont déjà formées.

Mais d’autres facteurs affectent également la masse du disque, et ces facteurs varient d’un disque à l’autre. Des choses comme le vent stellaire et l’irradiation des étoiles proches à l’extérieur du disque peuvent également affecter la masse. Alors, comment les chercheurs ont-ils pu isoler ces effets dans un si grand échantillon ?

Ils se sont concentrés sur une région bien connue de disques protoplanétaires appelée le nuage Orion A, qui fait partie du complexe de nuages ​​moléculaires d’Orion (OMCC). L’OMCC est à environ 1350 années-lumière et abrite la nébuleuse d’Orion bien étudiée, une caractéristique que même les astronomes d’arrière-cour peuvent voir.

Cette image du nuage géant Orion A en formation d'étoiles a été capturée par le télescope spatial Herschel.  Il retrace la distribution à grande échelle des poussières froides.  Orion A est à environ 1350 années-lumière et se compose de régions individuelles de formation d'étoiles indiquées par leurs étiquettes.  Les emplacements des disques de formation de planètes (+) observés avec ALMA sont indiqués, tandis que les disques avec des masses de poussière supérieures à un équivalent de 100 masses terrestres apparaissent sous forme de points bleus.  La célèbre nébuleuse d'Orion, visible à l'œil nu dans le ciel, abrite l'amas de nébuleuse d'Orion (ONC), comprenant plusieurs étoiles massives émettant un rayonnement intense.  Image : SE van Terwisga et al./MPIA
Le télescope spatial Herschel a capturé cette image du nuage géant Orion A en formation d’étoiles. Il retrace la distribution à grande échelle des poussières froides. Orion A est à environ 1350 années-lumière et se compose de régions individuelles de formation d’étoiles indiquées par leurs étiquettes. Les emplacements des disques de formation de planètes (+) observés avec ALMA sont indiqués, tandis que les disques avec des masses de poussière supérieures à 100 masses terrestres apparaissent sous forme de points bleus. La célèbre nébuleuse d’Orion, visible à l’œil nu dans le ciel, abrite l’amas de nébuleuse d’Orion (ONC), comprenant plusieurs étoiles massives émettant un rayonnement intense. Image : SE van Terwisga et al./MPIA

Valvaro Hacar est co-auteur de l’étude et scientifique à l’Université de Vienne, en Autriche. “Orion A nous a fourni une taille d’échantillon sans précédent de plus de 870 disques autour de jeunes étoiles”, a déclaré Hajar. “Il était crucial de pouvoir rechercher de petites variations dans la masse du disque en fonction de l’âge et même des environnements locaux à l’intérieur du cloud.”

C’est un bon exemple car tous les disques appartiennent au même cloud. Cela signifie que leur chimie est uniforme et qu’ils ont tous la même histoire. L’amas nébulaire d’Orion (ONC) à proximité héberge des étoiles massives qui pourraient affecter d’autres disques, de sorte que l’équipe a rejeté tous les disques d’Orion A à moins de 13 années-lumière de l’ONC.

Mesurer la masse de tous ces disques était délicat. L’équipe a utilisé l’Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA) pour observer la poussière. ALMA peut être réglé sur différentes longueurs d’onde, de sorte que l’équipe a observé les jeunes disques à une longueur d’onde de 1,2 mm. À cette longueur d’onde, la poussière est brillante, mais l’étoile est sombre, ce qui aide à éliminer l’effet de l’étoile dans chaque disque. Étant donné que l’observation à 1,2 mm rend les observations insensibles aux objets de plus de quelques mm – par exemple, les planètes qui se sont déjà formées – les mesures de l’équipe ne mesurent que la poussière disponible pour former de nouvelles planètes.

Cette impression artistique illustre à quoi ressemblent souvent les disques de formation de planètes autour de jeunes étoiles.  Ils sont initialement constitués de poussière et de gaz configurés en anneaux de matériau dense.  Avec le temps, les composants solides se transforment en cailloux qui peuvent éventuellement évoluer en planètes.  Étant donné que les observations ALMA utilisées dans cette étude ne sont sensibles qu'aux grains de poussière de taille millimétrique, les disques évolués avec des objets plus gros ou même des planètes produisent un signal relativement faible à partir du matériau résiduel.  Les nouveaux résultats indiquent que sans irradiation externe, ces disques évoluent de manière similaire.  Après environ un million d'années, la plupart d'entre elles n'ont plus assez de masse pour produire de grosses planètes comme Jupiter.  Cependant, de telles planètes peuvent déjà s'y être formées.  Crédit image : département graphique MPIA
Cette impression artistique illustre à quoi ressemblent souvent les disques de formation de planètes autour de jeunes étoiles. Ils sont initialement constitués de poussière et de gaz configurés en anneaux de matériau dense. Avec le temps, les composants solides se transforment en cailloux qui peuvent éventuellement évoluer en planètes. Étant donné que les observations ALMA utilisées dans cette étude ne sont sensibles qu’aux grains de poussière de taille millimétrique, les disques évolués avec des objets plus gros ou même des planètes produisent un signal relativement faible à partir du matériau résiduel. Les nouveaux résultats indiquent que sans irradiation externe, ces disques évoluent de manière similaire. Après environ un million d’années, la plupart d’entre elles n’ont plus assez de masse pour produire de grosses planètes comme Jupiter. Cependant, de telles planètes peuvent déjà s’y être formées.
Crédit image : département graphique MPIA

Mesurer la poussière sans interférence des étoiles était un obstacle, mais les chercheurs en ont rencontré un autre : les données.

Une étude détaillée de près de 900 disques protoplanétaires crée beaucoup de données, et toutes ces données doivent être traitées avant d’avoir une signification collective. Si l’équipe s’était appuyée sur les méthodes existantes, il aurait fallu environ six mois pour traiter toutes ces données. Au lieu de cela, ils ont développé leur propre méthode pour gérer les données en utilisant un traitement parallèle. Ce qui aurait pris des mois a pris moins d’un jour. “Notre nouvelle approche a amélioré la vitesse de traitement d’un facteur 900”, a déclaré le co-auteur Raymond Oonk.

Lorsqu’ils ont traité les données, les chercheurs ont découvert que la plupart des disques ne contenaient que 2,2 masses terrestres de poussière. Seuls 20 des quelque 900 disques contenaient suffisamment de poussière pour 100 Terres ou plus. « Afin de rechercher des variations, nous avons disséqué le nuage Orion A et analysé ces régions séparément. Grâce aux centaines de disques, les sous-échantillons étaient encore suffisamment grands pour donner des résultats statistiquement significatifs », a expliqué van Terwisga.

Les chercheurs ont trouvé une certaine variabilité dans la masse de poussière de disque dans différentes régions d’Orion A, mais les variations étaient minimes. L’effet d’âge peut expliquer les variations, selon les auteurs. À mesure que les disques vieillissent, la masse du disque diminue et les grappes de disques du même âge ont la même distribution de masse. “Il faut souligner que les différences entre ces amas, éloignés les uns des autres dans le ciel, sont faibles et peu significatives les unes par rapport aux autres et au terrain, même dans les cas les plus extrêmes”, écrivent les auteurs dans leur article. papier.

Cette figure de l'étude montre les six grappes de disques de faible masse et de faible densité.  Malgré leur large distribution dans Orion A, les disques montrent la même corrélation masse-âge.  Crédit d'image : SE van Terwisga et al.  2022.
Cette figure montre les six clusters de faible masse et de faible densité d’OSY dans l’étude. Malgré leur large distribution dans Orion A, les disques montrent la même corrélation masse-âge. Crédit d’image : SE van Terwisga et al. 2022.

On s’attend à ce qu’à mesure que les disques vieillissent, leur masse de poussière diminue. La formation planétaire explique la majeure partie de cette diminution : ce qui était autrefois de la poussière devient des planètes. Mais d’autres effets contribuent également à la perte de poussière. La poussière peut migrer vers le centre du disque et l’irradiation de l’étoile hôte peut évaporer la poussière. Mais cette étude renforce la corrélation entre l’âge et la perte de poussière.

Les résultats de cette étude peuvent-ils s’appliquer à d’autres jeunes populations de disques stellaires ? Les auteurs ont comparé leurs résultats d’Orion A avec plusieurs régions voisines de formation d’étoiles avec de jeunes disques. La plupart d’entre eux, mais pas tous, correspondent à la perte de masse liée à l’âge observée dans Orion A. la même distribution de masse à un âge donné. Et ils semblent évoluer plus ou moins de la même manière », a déclaré van Terwisga.

Les chercheurs ont plus de travail qu’ils aimeraient faire. Ils vont examiner l’effet que des étoiles plus petites peuvent avoir sur une échelle plus petite de quelques années-lumière. Dans cette étude, ils ont évité l’effet que les étoiles massives de l’ONC peuvent avoir sur les disques voisins. Mais des étoiles de fond plus petites pourraient encore affecter les disques, et elles pourraient expliquer certaines des petites variations de la corrélation âge-masse.

L’âge de l’étoile et de son disque, les propriétés chimiques et la dynamique du nuage parent se combinent tous avec la masse pour brosser un tableau plus clair du système solaire qui découle du disque. Les astronomes ne sont pas en mesure de prendre des données comme celles-ci et de prédire quel type de planètes pourraient se former dans un système solaire donné. Mais il est remarquable que la corrélation entre l’âge du disque et la masse du disque soit forte, même sur de grandes structures comme Orion A.

“Les propriétés remarquablement homogènes des échantillons de disques du même âge sont une découverte surprenante”, concluent les auteurs, et leurs résultats confirment ce que les études et enquêtes précédentes laissaient entendre. “Maintenant, cependant, nous pouvons montrer que cela s’applique à un plus grand nombre d’YSO et de clusters YSO, se formant dans des parties bien séparées du même nuage géant. Pour la première fois, la taille sans précédent de l’échantillon de disque SODA (Survey of Orion Disks with Alma) nous permet de zoomer sur les effets des gradients d’âge et du regroupement dans une seule région de formation d’étoiles. »

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