Crédit d'image: NASA
Si des astronomes extraterrestres autour d'une étoile éloignée avaient étudié le jeune Soleil il y a quatre milliards et demi d'années, auraient-ils pu voir les signes d'une Terre nouvellement formée en orbite autour de cette étoile jaune inoffensive? La réponse est oui, selon Scott Kenyon (Smithsonian Astrophysical Observatory) et Benjamin Bromley (University of Utah). De plus, leur modèle informatique indique que nous pouvons utiliser les mêmes signes pour localiser des endroits où des planètes de la taille de la Terre forment actuellement de jeunes mondes qui, un jour, pourraient abriter leur propre vie.
La clé pour localiser les Terre nouveau-nés, disent Kenyon et Bromley, est de ne pas chercher la planète elle-même, mais un anneau de poussière en orbite autour de l'étoile qui est une empreinte digitale de la formation de planète terrestre (rocheuse).
"Il y a de fortes chances, s'il y a un anneau de poussière, qu'il y ait une planète", explique Kenyon.
Les bonnes planètes sont difficiles à trouver
Notre système solaire s'est formé à partir d'un disque tourbillonnant de gaz et de poussière, appelé disque protoplanétaire, en orbite autour du jeune Soleil. Les mêmes matériaux se retrouvent dans toute notre galaxie, de sorte que les lois de la physique prédisent que d'autres systèmes stellaires formeront des planètes de la même manière.
Bien que les planètes puissent être courantes, elles sont difficiles à détecter car elles sont trop faibles et situées trop près d'une étoile beaucoup plus brillante. Par conséquent, les astronomes recherchent des planètes en recherchant des preuves indirectes de leur existence. Dans les jeunes systèmes planétaires, ces preuves peuvent être présentes dans le disque lui-même et dans la façon dont la planète affecte le disque poussiéreux à partir duquel elle se forme.
Les grandes planètes de la taille de Jupiter possèdent une forte gravité. Cette gravité affecte fortement le disque poussiéreux. Un seul Jupiter peut effacer un espace en forme d'anneau dans le disque, déformer le disque ou créer des bandes concentrées de poussière qui laissent un motif dans le disque comme un sillage d'un bateau. La présence d'une planète géante peut expliquer le schéma de type sillage observé sur le disque autour de l'étoile Vega vieille de 350 millions d'années.
Les petits mondes de la taille de la Terre, en revanche, possèdent une gravité plus faible. Ils affectent le disque plus faiblement, laissant des signes plus subtils de leur présence. Plutôt que de rechercher des déformations ou des sillages, Kenyon et Bromley recommandent de regarder pour voir à quel point le système stellaire est brillant aux longueurs d'onde infrarouges (IR) de la lumière. (La lumière infrarouge, que nous percevons comme de la chaleur, est une lumière avec des longueurs d'onde plus longues et moins d'énergie que la lumière visible.)
Les étoiles avec des disques poussiéreux sont plus brillantes dans l'IR que les étoiles sans disques. Plus un système stellaire retient de poussière, plus il est brillant dans l'IR. Kenyon et Bromley ont montré que les astronomes peuvent utiliser les luminosités infrarouges non seulement pour détecter un disque, mais aussi pour savoir quand une planète de la taille de la Terre se forme à l'intérieur de ce disque.
«Nous avons été les premiers à calculer les niveaux attendus de production de poussières et les excès infrarouges associés, et les premiers à démontrer que la formation des planètes terrestres produit des quantités observables de poussières», explique Bromley.
Construire des planètes à partir du sol
La théorie la plus répandue de la formation des planètes appelle à construire des planètes «à partir de zéro». Selon la théorie de la coagulation, de petits morceaux de matériau rocheux dans un disque protoplanétaire entrent en collision et se collent. Au cours des milliers d'années, les petites touffes se transforment en touffes de plus en plus grandes, comme construire un bonhomme de neige une poignée de neige à la fois. Finalement, les amas rocheux deviennent si gros qu'ils deviennent des planètes à part entière.
Kenyon et Bromley modélisent le processus de formation des planètes à l'aide d'un programme informatique complexe. Ils «ensemencent» un disque protoplanétaire avec un milliard de planétésimaux de 0,6 mile (1 kilomètre), tous en orbite autour d'une étoile centrale, et font avancer le système à temps pour voir comment les planètes évoluent à partir de ces ingrédients de base.
«Nous avons rendu la simulation aussi réaliste que possible et avons tout de même terminé les calculs dans un délai raisonnable», explique Bromley.
Ils ont trouvé que le processus de formation des planètes était remarquablement efficace. Initialement, les collisions entre planétésimaux se produisent à de faibles vitesses, donc les objets en collision ont tendance à fusionner et à croître. À une distance Terre-Soleil typique, il ne faut que 1000 ans environ pour que des objets d'un kilomètre se transforment en objets de 100 kilomètres (60 milles). Un autre 10 000 ans produit des protoplanètes de 600 milles de diamètre, qui se développent sur 10 000 ans supplémentaires pour devenir des protoplanètes de 1200 milles de diamètre. Par conséquent, les objets de la taille de la Lune peuvent se former en aussi peu que 20 000 ans.
À mesure que les planétésimaux dans le disque deviennent plus gros et plus massifs, leur gravité se renforce. Une fois que quelques-uns des objets atteignent une taille de 600 miles, ils commencent à "remuer" les objets plus petits restants. La gravité lance des morceaux de roche plus petits et de la taille d'un astéroïde à des vitesses de plus en plus élevées. Ils voyagent si vite que lorsqu'ils entrent en collision, ils ne fusionnent pas - ils pulvérisent, se brisant violemment. Alors que les plus grandes protoplanètes continuent de croître, le reste des planétésimaux rocheux se brisent en poussière.
«La poussière se forme là où la planète se forme, à la même distance de son étoile», explique Kenyon. En conséquence, la température de la poussière indique où la planète se forme. La poussière dans une orbite semblable à Vénus sera plus chaude que la poussière dans une orbite semblable à la Terre, donnant un indice sur la distance de la planète infantile de son étoile.
La taille des plus gros objets du disque détermine le taux de production de poussière. La quantité de poussière culmine lorsque des protoplanètes de 600 milles se sont formées.
«Le télescope spatial Spitzer devrait être capable de détecter de tels pics de poussière», explique Bromley.
Actuellement, le modèle de formation des planètes terrestres de Kenyon et Bromley ne couvre qu'une fraction du système solaire, depuis l'orbite de Vénus jusqu'à une distance à mi-chemin entre la Terre et Mars. À l'avenir, ils prévoient d'étendre le modèle pour englober des orbites aussi proches du Soleil que Mercure et aussi éloignées que Mars.
Ils ont également modélisé la formation de la ceinture de Kuiper, une région de petits objets glacés et rocheux au-delà de l'orbite de Neptune. La prochaine étape logique consiste à modéliser la formation de géantes gazeuses comme Jupiter et Saturne.
"Nous commençons par les bords du système solaire et travaillons vers l'intérieur", dit Kenyon avec un sourire. «Nous travaillons également très en masse. La Terre est 1000 fois plus massive qu'un objet de la ceinture de Kuiper, et Jupiter est 1000 fois plus massive que la Terre. »
"Notre objectif ultime est de modéliser et de comprendre la formation de l'ensemble de notre système solaire." Kenyon estime que leur objectif est réalisable dans une décennie, alors que la vitesse de l'ordinateur continue d'augmenter, permettant la simulation d'un système solaire entier.
Cette recherche a été publiée dans le numéro du 20 février 2004 de The Astrophysical Journal Letters. Des informations supplémentaires et des animations sont disponibles en ligne sur http://cfa-www.harvard.edu/~kenyon/.
Basée à Cambridge, dans le Massachusetts, le Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics est une collaboration conjointe entre le Smithsonian Astrophysical Observatory et le Harvard College Observatory. Les scientifiques du CfA, organisés en six divisions de recherche, étudient l'origine, l'évolution et le destin ultime de l'univers.
Source d'origine: Communiqué de presse de la CfA
