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Une équipe internationale d’astronomes a réussi à capturer des images détaillées de disques de gaz et de poussières, situés à des centaines d’années-lumière, à l’origine de la formation des planètes. Ces images de disques protoplanétaires apportent un nouvel éclairage sur le processus de formation des systèmes planétaires.

Avant cette nouvelle étude, plusieurs photos de tels disques avaient déjà été prises avec les plus grands télescopes à miroir, mais elles n’étaient pas suffisamment détaillées. Une autre technique d’observation, combinant interférométrie infrarouge et modélisations mathématiques, a permis aux chercheurs d’obtenir des clichés bien plus précis : « Sur ces images, les régions proches de l’étoile, où se forment les planètes rocheuses, ne sont couvertes que par peu de pixels », explique Jacques Kluska, chercheur à l’Institut d’astronomie de Louvain et auteur principal de l’étude. « Nous devions visualiser ces détails pour pouvoir identifier les modèles qui pourraient décrire la formation des planètes et caractériser les propriétés des disques ». Leurs résultats ont été publiés dans la revue Astronomy & Astrophysics.

« C’est comme distinguer un cheveu à une distance de 10 km »

Comment se forme une planète, telle que la nôtre ? Tout commence par la formation d’un nuage de gaz et de poussières, qui atteint un état critique à partir duquel il commence à se contracter. Ce nuage tourne sur lui-même, autour d’un centre de gravité – le futur cœur de l’étoile – la matière s’effondrant peu à peu vers le centre. Les particules de poussières restant dans le disque s’agrègent peu à peu et se transforment en corps plus gros, ce qui conduit finalement à la formation de planètes.

Des recherches antérieures ont montré une grande occurrence de planètes situées autour et relativement proches de leur étoile hôte (comme dans notre système solaire). Les planètes rocheuses, comme la Terre, se formeraient donc dans les régions internes des disques protoplanétaires, à moins de cinq unités astronomiques (soit cinq fois la distance Terre-Soleil) de l’étoile autour de laquelle le disque se forme. L’équipe de scientifiques s’est donc focalisée sur cette région particulière des disques.

interféromètre IR PIONIER VLT ESO

L’interféromètre PIONIER qui équipe le Very Large Telescope de l’ESO et qui a permis à l’équipe d’obtenir des images détaillées de disques protoplanétaires. Crédits : ESO.

Pour obtenir ces clichés, Kluska et ses collègues ont travaillé à l’Observatoire européen austral (ESO) au Chili, en utilisant une technique appelée « interférométrie infrarouge ». À l’aide du PIONIER de l’ESO, un instrument d’optique conçu pour le VLTI (Very Large Telescope Interferometer), ils ont combiné la lumière collectée par les quatre télescopes de l’observatoire. Cependant, cette technique ne permettait pas d’obtenir une image de qualité. Les détails des disques devaient être récupérés par reconstruction mathématique, une technique similaire à la façon dont la toute première image d’un trou noir a été capturée. « Nous avons dû retirer la lumière de l’étoile, car cela entravait le niveau de détail que nous pouvions avoir sur les disques », explique Kluska.

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Les disques protoplanétaires autour des étoiles R CrA (à gauche) et HD45677 (à droite), capturés avec l’interféromètre du Very Large Telescope de l’ESO. Les orbites sont ajoutées pour référence. La lumière de l’étoile a été filtrée pour obtenir une image plus détaillée du disque. Crédits : Jacques Kluska et al.

Le niveau de détail attendu était plutôt élevé : comme l’explique Jean-Philippe Berger de l’Université Grenoble-Alpes, en charge des travaux avec l’instrument PIONIER, distinguer les détails à l’échelle des orbites des planètes rocheuses comme la Terre ou Jupiter équivaut à pouvoir voir un humain sur la Lune, ou à distinguer un cheveu à une distance de 10 km ! L’interférométrie infrarouge est couramment utilisée pour observer les plus petits détails des objets astronomiques. La combinaison de ces données avec des mathématiques avancées a permis de convertir les résultats en images.

Des planètes nées d’instabilités ?

Quels nouveaux éléments apportent ces images ? Parmi les clichés, les experts ont constaté que 40 % des systèmes (6/15) étaient centrosymétriques. Les astronomes pensent que les asymétries observées pour les objets restants étaient dues soit à une inclinaison plus ou moins importante du disque protoplanétaire, soit à une déformation de sa face interne. Ils ont remarqué, en outre, que certains points des disques étaient plus ou moins lumineux, ce qui pourrait expliquer comment le processus peut conduire à la formation d’une planète. En effet, ces points pourraient se traduire par des « instabilités » dans le disque autour de l’étoile, pouvant conduire à des tourbillons, où des grains de poussière spatiale s’accumulent. Ces agrégations de matière évolueraient peu à peu vers une planète.

Sur le même sujet : Kepler-1649 c : une exoplanète similaire à la Terre située dans la zone habitable de son étoile

L’équipe prévoit désormais d’effectuer de nouvelles recherches pour identifier ce qui pourrait être à l’origine de ces irrégularités. Kluska effectuera également de nouvelles observations pour obtenir encore plus de détails, voire assister en direct à la formation de planètes dans les régions des disques proches de l’étoile. Son équipe a d’ores et déjà commencé à étudier une dizaine de disques entourant d’autres types d’étoiles plus anciennes, car ceux-ci sont susceptibles de donner naissance à des planètes.

Source : Astronomy & Astrophysics

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