Un modèle théorique explique comment les grains de poussière peuvent se transformer en graines de nouvelles planètes

Une étape clé dans la formation de nouvelles planètes a peut-être été découverte par un nouveau modèle théorique d’un disque protoplanétaire développé par un astrophysicien du RIKEN et deux collaborateurs qui explique comment la poussière dans le disque surmonte une tendance à dériver vers l’étoile1.

Les planètes naissent d’un disque tourbillonnant de poussière et de gaz qui entoure une jeune étoile, mais on ne sait pas comment les grains de poussière peuvent se transformer en objets plus gros avant de se diriger vers l’étoile.

Dans la théorie classique de la formation des planètes, de minuscules particules de poussière entrent en collision et s’agglutinent pour former des grains de la taille d’un centimètre. Ces grains s’accumulent progressivement pour former des planétésimaux de la taille d’un kilomètre, première étape majeure dans la production d’une nouvelle planète.

Mais les grains de poussière ressentent une traînée du gaz dans le disque protoplanétaire. Cela ralentit les grains de poussière, de sorte qu’ils tombent vers l’étoile. La vitesse à laquelle ils tombent augmente à mesure que les grains de poussière grossissent.

Des études antérieures ont suggéré que cet effet devrait empêcher les grains de former des objets de plus d’un mètre, ce qui pose une énigme majeure pour les astronomes. “Divers mécanismes ont été proposés pour expliquer la formation des planétésimaux, mais ils font toujours l’objet de débats”, note Ryosuke Tominaga du RIKEN Star and Planet Formation Laboratory.

Tominaga et deux collègues ont maintenant proposé un modèle qui suggère une solution possible à ce problème : de petites variations dans la distribution de la poussière dans le disque protoplanétaire sont rapidement amplifiées dans des régions à forte et faible densité de poussière.

Dans les zones ayant des densités légèrement plus élevées, la poussière coagule plus efficacement et forme des amas plus gros qui dérivent plus rapidement vers l’étoile. Lorsque ces amas rencontrent des particules de poussière plus petites, ils forment des régions de densité de poussière encore plus élevée, ce qui accélère la croissance des grains. Pendant ce temps, les régions évacuées par les grands massifs se retrouvent avec des densités relativement faibles.

L’équipe a découvert que cette rétroaction positive crée plusieurs bandes de densité de poussière élevée et faible dans le disque protoplanétaire. Ces bandes peuvent apparaître en 10 000 ans environ, un temps remarquablement court pour de tels processus astronomiques. Ces zones à haute densité sont des sites idéaux pour une agrégation supplémentaire, permettant aux planétésimaux de se former avant que les grains de poussière ne soient attirés dans l’étoile.

“Contrairement aux théories précédentes, ce mécanisme de coagulation fonctionne même lorsqu’il y a beaucoup plus de gaz que de poussière dans le disque protoplanétaire”, explique Tominaga.

L’équipe travaille actuellement sur des modèles plus détaillés qui incluent la formation et l’évolution du disque lui-même, ainsi que la formation éventuelle de planétésimaux.

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