Des scientifiques dévoilent une théorie unifiée sur la formation des planètes rocheuses

Une nouvelle théorie sur la formation des planètes rocheuses pourrait expliquer l’origine des soi-disant « super-Terres » – une classe d’exoplanètes quelques fois plus massives que la Terre qui sont le type de planète le plus abondant dans la galaxie.

De plus, cela pourrait expliquer pourquoi les super-Terres au sein d’un même système planétaire finissent souvent par avoir une taille étrangement similaire, comme si chaque système n’était capable de produire qu’un seul type de planète.

« Alors que nos observations d’exoplanètes ont augmenté au cours de la dernière décennie, il est devenu clair que la théorie standard de la formation des planètes doit être révisée, en commençant par les fondamentaux. Nous avons besoin d’une théorie qui puisse simultanément expliquer la formation des planètes telluriques dans notre système solaire ainsi que les origines de systèmes auto-similaires de super-Terres, dont beaucoup semblent rocheuses dans leur composition », explique le professeur de sciences planétaires de Caltech, Konstantin Batygin, qui a collaboré avec Alessandro Morbidelli de l’Observatoire de la Côte d’Azur en La France sur la nouvelle théorie. Un article expliquant leur travail a été publié par Astronomie naturelle le 12 janvier.

Les systèmes planétaires commencent leur cycle de vie sous la forme de grands disques rotatifs de gaz et de poussière qui se consolident au cours de quelques millions d’années environ. La majeure partie du gaz s’accumule dans l’étoile au centre du système, tandis que la matière solide fusionne lentement en astéroïdes, comètes, planètes et lunes.

Dans notre système solaire, il existe deux types distincts de planètes : les plus petites planètes rocheuses intérieures les plus proches du soleil et les plus grandes géantes gazeuses extérieures riches en eau et en hydrogène qui sont plus éloignées du soleil. Dans une étude antérieure Publié dans Astronomie naturelle fin 2021cette dichotomie a conduit Morbidelli, Batygin et leurs collègues à suggérer que la formation des planètes dans notre système solaire s’est produite en deux anneaux distincts dans le disque protoplanétaire : un intérieur où se sont formées les petites planètes rocheuses et un extérieur pour les planètes glacées plus massives (deux dont Jupiter et Saturne sont devenus plus tard des géantes gazeuses).

Les super-Terres, comme leur nom l’indique, sont plus massives que la Terre. Certains ont même des atmosphères d’hydrogène, ce qui les fait ressembler presque à des géantes gazeuses. De plus, on les trouve souvent en orbite près de leurs étoiles, ce qui suggère qu’ils ont migré vers leur emplacement actuel à partir d’orbites plus éloignées.

« Il y a quelques années, nous avons construit un modèle où des super-Terres se sont formées dans la partie glacée du disque protoplanétaire et ont migré jusqu’au bord intérieur du disque, près de l’étoile », explique Morbidelli. « Le modèle pourrait expliquer les masses et les orbites des super-Terres, mais prédit qu’elles sont toutes riches en eau. Des observations récentes ont toutefois démontré que la plupart des super-Terres sont rocheuses, comme la Terre, même si elles sont entourées d’une atmosphère d’hydrogène. Cela était la condamnation à mort de notre ancien modèle. »

Au cours des cinq dernières années, l’histoire est devenue encore plus étrange en tant que scientifiques, y compris une équipe dirigée par Andrew Howard, professeur d’astronomie à Caltech ; Lauren Weiss, professeure adjointe à l’Université de Notre Dame ; et Erik Petigura, ancien chercheur postdoctoral Sagan en astronomie à Caltech et maintenant professeur à UCLA – ont étudié ces exoplanètes et fait une découverte inhabituelle : bien qu’il existe une grande variété de types de super-Terres, toutes les super-Terres à l’intérieur un seul système planétaire a tendance à être similaire en termes d’espacement orbital, de taille, de masse et d’autres caractéristiques clés.

« Lauren a découvert qu’au sein d’un seul système planétaire, les super-Terres sont comme des » pois dans une cosse «  », explique Howard, qui n’était pas directement lié à l’article de Batygin-Morbidelli mais l’a examiné. « En gros, vous avez une usine à planètes qui ne sait fabriquer que des planètes d’une seule masse, et qui les expulse les unes après les autres.

Alors, quel processus unique aurait pu donner naissance aux planètes rocheuses de notre système solaire mais aussi à des systèmes uniformes de super-Terres rocheuses ?

« La réponse s’avère être liée à quelque chose que nous avons compris en 2020 mais que nous n’avons pas réalisé appliqué à la formation planétaire plus largement », déclare Batygin.

Dans un article de 2020 publié dans Le Journal AstrophysiqueBatygin et Morbidelli a proposé une nouvelle théorie pour la formation des quatre plus grandes lunes de Jupiter (Io, Europe, Ganymède et Callisto).

Essentiellement, ils ont démontré que pour une gamme de tailles spécifique de grains de poussière, la force entraînant les grains vers Jupiter et la force (ou l’entraînement) transportant ces grains dans un flux de gaz vers l’extérieur s’annulent parfaitement. Cet équilibre des forces a créé un anneau de matériau qui a constitué les éléments de base solides pour la formation ultérieure des lunes. En outre, la théorie suggère que les corps se développeraient dans l’anneau jusqu’à ce qu’ils deviennent suffisamment gros pour sortir de l’anneau en raison de la migration entraînée par le gaz. Après cela, ils cessent de croître, ce qui explique pourquoi le processus produit des corps de tailles similaires.

Dans leur nouvel article, Batygin et Morbidelli suggèrent que le mécanisme de formation des planètes autour des étoiles est en grande partie le même. Dans le cas planétaire, la concentration à grande échelle de matériau rocheux solide se produit dans une bande étroite du disque appelée ligne de sublimation du silicate – une région où les vapeurs de silicate se condensent pour former des cailloux solides et rocheux.

« Si vous êtes un grain de poussière, vous ressentez un vent de face considérable dans le disque parce que le gaz tourne un peu plus lentement, et vous tournez en spirale vers l’étoile ; mais si vous êtes sous forme de vapeur, vous tournez simplement vers l’extérieur, avec le gaz dans le disque en expansion. Ainsi, l’endroit où vous passez de la vapeur à l’état solide est l’endroit où la matière s’accumule », explique Batygin.

La nouvelle théorie identifie cette bande comme le site probable d’une « usine planétaire » qui, au fil du temps, peut produire plusieurs planètes rocheuses de taille similaire. De plus, à mesure que les planètes deviennent suffisamment massives, leurs interactions avec le disque auront tendance à attirer ces mondes vers l’intérieur, plus près de l’étoile.

La théorie de Batygin et Morbidelli est étayée par une modélisation informatique approfondie, mais a commencé par une question simple. « Nous avons examiné le modèle existant de formation des planètes, sachant qu’il ne reproduit pas ce que nous voyons, et nous nous sommes demandé : « Quelle affirmation prenons-nous pour acquise ? », explique Batygin. « L’astuce consiste à regarder quelque chose que tout le monde considère comme vrai, mais sans raison valable. »

Dans ce cas, l’hypothèse était que la matière solide est dispersée à travers les disques protoplanétaires. En abandonnant cette hypothèse et en supposant à la place que les premiers corps solides se forment en anneaux, la nouvelle théorie peut expliquer différents types de systèmes planétaires avec un cadre unifié, dit Batygin.

Si l’anneau rocheux contient beaucoup de masse, les planètes se développent jusqu’à ce qu’elles s’éloignent de l’anneau, ce qui donne un système de super-Terres similaires. Si l’anneau contient peu de masse, il produit un système qui ressemble beaucoup plus aux planètes telluriques de notre système solaire.

« Je suis un observateur et un constructeur d’instruments, mais je suis extrêmement attentif à la littérature », déclare Howard. « Nous recevons régulièrement des contributions minimes mais toujours importantes. Mais tous les cinq ans environ, quelqu’un sort avec quelque chose qui crée un changement sismique dans le domaine. C’est l’un de ces articles. »