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Posté par Adrien le Samedi 07/01/2017 à 00:00
Planètes: découverte des pièges à poussières spontanés
Comment les planètes se forment-elles ? Cette question est un enjeu majeur en astrophysique. Jusqu'alors, aucune théorie ne permettait d'y répondre dans son ensemble. Pourtant, une équipe internationale d'astrophysiciens menée par des chercheurs du Centre de Recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des...) de Lyon a identifié un phénomène physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...), la création spontanée de "pièges à poussières", qui permet enfin de lier entre elles les différentes étapes de la formation des planètes.

Les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré...) montrent que les planètes, celles de notre Système Solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis gravitant autour...) ou les exo-planètes, se forment dans des disques protoplanétaires. Ces disques sont constitués de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper tout le...) et de grains de poussière. Ces derniers, initialement plus petits qu'un micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.), doivent s'agréger pour former des corps de plus en gros jusqu'à l'obtention d'une planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre hydrostatique,...) de plusieurs milliers de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans...). Les nombreuses planètes de notre Galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son...) suggèrent que le mécanisme de formation doit être simple, efficace et universel !


Gaz (en bleu) et poussière (en rouge) dans un disque protoplanétaire après la formation d'un piège à poussières spontané, visible sous la forme d'un anneau brillant de poussières. Crédits: JF Gonzalez

Il est relativement facile de modéliser la création d'agrégats de la taille d'un caillou (de 1 à 10 cm) à partir de poussières, ainsi que la formation d'un coeur planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire (le Soleil et ses planètes) en tout ou partie. Généralement les astres représentés sont animés soit manuellement,...) à partir des planétésimaux (blocs rocheux de plusieurs kilomètres). L'étape intermédiaire, c'est à dire le passage des agrégats aux planétésimaux, restait par contre incomprise. En effet, la friction du gaz sur les grains provoque leur dérive rapide vers le centre du disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.), le vidant théoriquement de tous ses solides. De plus, les collisions à grande vitesse (On distingue :) fragmentent les agrégats en une multitude de petits morceaux. Les seuls endroits du disque protoplanétaire où ces problèmes peuvent être résolus sont appelés des "pièges à poussières". Les agrégats dérivent vers ces zones de haute pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.), éloignées du centre du disque, et s'y accumulent, échappant ainsi à la chute sur l'étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.). Leur vitesse diminue, évitant par la même occasion la fragmentation.

Jusqu'à présent, les astronomes pensaient que de tels pièges ne pouvaient exister que dans des conditions très particulières (présentant par exemple une variation importante de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le...) ou de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...), ou même la présence d'une planète déjà existante) et ne leur attribuaient qu'un rôle secondaire. Pourtant, une équipe internationale d'astrophysiciens, menée par des chercheurs du Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (CRAL) vient de découvrir un mécanisme permettant d'expliquer la croissance des grains, depuis la taille d'une poussière jusqu'à celle d'une planète.

Au moyen de simulations numériques et de calculs analytiques, les astrophysiciens ont montré que les pièges à poussières se forment de manière spontanée et ce, quels que soient les disques étudiés: les pièges seraient donc bien plus fréquents qu'attendus. Les chercheurs ont mis en évidence le rôle-clé de la friction de la poussière sur le gaz dans ce mécanisme. "Cet effet, appelé rétroaction, était jusqu'à présent ignoré car dans la majorité des situations, il est négligeable. Ce n'est plus du tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le cas aux fortes concentrations de poussières rencontrées lors de la formation des planètes", explique Jean-François Gonzalez, enseignant-chercheur de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le 10 février 1878 à Paris, est un médecin et...) au CRAL.


Mécanisme de formation des pièges à poussières spontanés. Crédits: JF Gonzalez

La rétroaction ralentit le mouvement des grains, leur laissant ainsi le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) pour atteindre une taille suffisante qui leur permet ne plus ressentir les effets de la dérive vers l'étoile et de se concentrer. Le gaz, toujours sous l'effet des frottements avec la poussière, va alors être repoussé vers l'extérieur et va s'accumuler pour former des zones de haute pression: les pièges à poussières. Ces pièges spontanés vont alors accumuler très efficacement les grains venant des régions extérieures du disque, constituant un anneau très dense de solides, un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à prendre une...) favorable à la formation de planétésimaux.

Ainsi, la découverte de la formation spontanée des pièges à poussières apporte une solution simple et solide à un problème de longue date dans la compréhension de la formation des planètes.

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Source: CNRS-INSU