Avant que les planètes ne se forment autour d’une jeune étoile, le disque protosolaire est peuplé d’innombrables planétésimaux. Au fil du temps, ces planétésimaux se combinent pour former des planètes, et la théorie fondamentale de l’accrétion explique comment cela se produit. Mais avant qu’il y ait des planètes, le disque rempli de planétésimaux est un endroit désordonné.
L’histoire des objets rocheux qui s’entrechoquent est écrite dans les cratères marquant la surface des planètes et des lunes. Mais c’est l’échelle macro de l’histoire. Les planétésimaux ne se limitent pas à leur éventuelle accumulation sur les planètes.
De nouvelles recherches montrent que ces petits corps sont soumis à des vents contraires constitués de gaz et de particules présents dans le disque protosolaire qui peuvent les heurter et projeter des débris rocheux dans l’espace. Il s’agit d’une nouvelle étape dans notre compréhension de la formation des planètes rocheuses.
(Une note sur la terminologie : un disque protosolaire est le disque de gaz et de poussière qui existe pendant la formation de l’étoile au centre. Un disque protoplanétaire est le même disque après la formation de l’étoile mais pendant que les planètes sont encore en formation.)
L’étude s’intitule « Érosion éolienne et transport sur les planétésimaux ». C’est publié dans la revue Icareet l’auteur principal est Alice Quillen, professeur d’astronomie et d’astrophysique à l’Université de Rochester.
La nouvelle étude concerne des planétésimaux compris entre 10 et 100 km de diamètre noyés dans la nébuleuse protosolaire. Dans ces nébuleuses, les étoiles ne sont pas encore vraiment des étoiles. Ce sont de jeunes objets stellaires qui ne subissent aucune fusion nucléaire. Ce ne sont donc pas des vents stellaires qui les frappent ; ce sont les vents contraires dans la nébuleuse elle-même. Ces vents contraires sont constitués du gaz et de la poussière présents dans le disque et résultent de la différence de vitesse entre le matériau du disque et le planétésimal. Les différences de température et de pression dans différentes régions du disque protosolaire y contribuent également.
« Nous envisageons la possibilité que des processus éoliens (soufflés par le vent) se produisent sur de petits planétésimaux de 1 à 100 km de diamètre lorsqu’ils étaient intégrés dans la nébuleuse protosolaire », écrivent les auteurs.
Les planétésimaux se forment par cohésion. Lorsque les petites particules entrent en collision dans la nébuleuse protosolaire, elles se collent les unes aux autres. Mais une jeune nébuleuse est un endroit chaotique et désordonné. Il existe des collisions qui peuvent soit ajouter plus de matière aux planétésimaux, soit en retirer. Les particules et le gaz peuvent échanger du moment cinétique, et il existe également une pression de gaz. Il se passe beaucoup de choses au cours de cette étape, qui peut durer plusieurs millions d’années.
Au fil du temps, suffisamment de particules se collent les unes aux autres pour qu’un planétésimal prenne forme.
Mais il y a une pression de gaz dans le jeune disque, et lorsqu’un planétésimal le traverse, il le ressent comme un vent contraire rempli de particules. Ce vent contraire est suffisamment fort pour vaincre la cohésion de la surface du planétésimal.
« Le transport de particules éoliennes (entraînées par le vent) s’est produit sur de nombreux corps du système solaire, notamment la Terre, Mars, Vénus, Triton, Titan, Pluton, Io et la comète 67P/ChuryumovGerasimenko », écrivent les auteurs. « L’omniprésence des processus éoliens dans le système solaire suggère que les surfaces planétésimales peuvent être modifiées par les vents contraires des disques protostellaires et les particules qu’elles contiennent. »
Selon les auteurs, le vent contraire dans un disque protostellaire est suffisamment puissant pour soulever des particules de cm et de plus petite taille hors des planétésimaux. Cela peut se produire sur un planétésimal d’un diamètre de 10 km dans le système solaire interne.
Au-delà de cela, dans le système solaire externe, quelque chose de différent se produit. Les particules exposées aux vents contraires frappent les planétésimaux et éliminent les particules de taille micrométrique de la surface. Ces particules peuvent être projetées dans l’espace ou redistribuées à la surface du planétésimal.
Pour les planétésimaux d’un diamètre inférieur à environ 6 km, l’érosion causée par les particules exposées au vent contraire crée une perte de masse plutôt qu’une accrétion. Des facteurs tels que la vitesse du vent, la taille des particules du vent contraire et la taille des matériaux affectent le processus global.
Les auteurs citent comme exemple Arrokoth, un objet bien connu de la ceinture de Kuiper. Il s’agit d’un objet trans-neptunien qui s’est probablement formé dans le système solaire externe. Il a probablement été créé lorsque deux objets sont entrés en collision à une vitesse relativement faible. « Parmi les caractéristiques les plus frappantes d’Arrokoth figurent le terrain lisse et ondulé présent sur son plus grand lobe (ou tête), également appelé Wenu », écrivent les auteurs.
Arrokoth n’est pas seulement un objet trans-neptunien ; c’est une comète de la famille Jupiter. Ces comètes ont commencé comme des objets de la ceinture de Kuiper, mais ont été attirées vers le système solaire interne par la gravité des grandes géantes gazeuses. Alors que d’autres comètes de la famille Jupiter ont des falaises, des rochers perchés et des gouffres à leur surface, la surface d’Arrokoth est étrangement lisse en comparaison. Les preuves montrent qu’Arrokoth s’est formé lorsque le disque autour du jeune objet stellaire qui allait devenir le soleil était optiquement épais. Sa surface n’était donc pas affectée par la luminosité provenant du jeune soleil. Cela indique qu’un autre processus a façonné sa surface.
« Les vents provenant d’un disque protostellaire pourraient expliquer le terrain ondulé et lisse de l’objet de la ceinture de Kuiper (486958) Arrokoth », écrivent-ils, mais seulement lorsqu’il y avait beaucoup de particules et seulement lorsque leur vitesse était faible.
Cette recherche est extrêmement détaillée. Mais globalement, cela montre que les processus éoliens peuvent altérer la surface des planétésimaux et jouer un rôle dans le processus de formation des planètes. De nombreuses variables sont impliquées, comme la vitesse du vent contraire, la pression du gaz, la taille des particules et la vitesse planétésimale. Parfois, les particules sont retirées du planétésimal ; parfois, ils retombent à la surface.
La variable principale est la distance à la protoétoile. Cela joue un grand rôle dans le processus. « Les taux d’érosion ou d’accrétion sont plus élevés dans le système solaire interne, où la densité du disque est plus élevée », écrivent les auteurs.
« Les interactions entre les vents contraires riches en particules et les planétésimaux sont susceptibles de provoquer divers phénomènes intéressants qui pourraient faire l’objet d’études futures », concluent les auteurs.
Plus d’information:
Alice C. Quillen et al, Érosion éolienne et transport sur les planétésimaux, Icare (2024). DOI : 10.1016/j.icarus.2024.115948