Les distorsions entraînent des perturbations dans la formation des planètes dans les jeunes systèmes solaires

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Des scientifiques de l’Université de Warwick identifient un processus qui entrave la formation de planètes par l’instabilité gravitationnelle au début de l’évolution des systèmes solaires. Des disques protoplanétaires ont été observés par des astronomes avec des distorsions courbant leur surface. La modélisation de l’équipe de Warwick démontre que ces déformations peuvent anéantir la structure en spirale qui permet aux planètes de se former via l’instabilité gravitationnelle.

Image showing a rotating protoplanetary disc with a warp in its initial stages.Image montrant un disque protoplanétaire en rotation avec une distorsion à ses débuts. © Université de Warwick

Une nouvelle étude de l’Université de Warwick démontre l’impact des étoiles qui passent, des étoiles binaires mal alignées et des nuages ​​de gaz qui passent sur la formation des planètes dans les premiers systèmes stellaires. Les scientifiques ont modélisé comment des événements cosmiques comme ceux-ci peuvent déformer les disques protoplanétaires, lieux de naissance des planètes, au début de l’évolution des systèmes solaires. Leurs résultats sont publiés aujourd’hui dans l’Astrophysical Journal dans une étude financée par la Royal Society et le Engineering and Physical Sciences Research Council, qui fait partie de UK Research and Innovation.

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Les systèmes solaires sont formés à partir de disques protoplanétaires, d’énormes nuages ​​de gaz et de poussière en rotation qui finiront par fusionner dans le réseau de planètes que nous voyons dans l’Univers. Lorsque ces disques sont jeunes, ils forment des structures en spirale, avec toute leur poussière et leur matière entraînées dans des bras denses par l’effet gravitationnel massif de la rotation du disque. Mais les astronomes ont trouvé un nombre surprenant de disques protoplanétaires qui, bien qu’ils soient suffisamment massifs pour avoir une structure en spirale, n’en montrent aucune preuve. L’équipe de l’Université de Warwick a étudié ce qui pourrait empêcher un disque de former une structure en spirale. Le doctorant Sahl Rowther du Département de physique de l’Université a créé une simulation hydrodynamique tridimensionnelle d’un disque auto-gravitant normal et plat en utilisant une technique appelée hydrodynamique des particules lissées. À cela, il a ajouté différents niveaux de courbure au disque pour le déformer, afin d’étudier l’impact sur la structure en spirale du disque. Dans toutes les chaînes sauf les plus petites, la structure en spirale a disparu. La structure en spirale d’un disque protoplanétaire est vitale pour la formation des planètes grâce à l’instabilité gravitationnelle et les résultats améliorent notre compréhension de l’évolution des systèmes solaires.

Le co-auteur, le Dr Rebecca Nealon, boursier Stephen Hawking au Département de physique, a déclaré: “Les déformations inhiberont la formation des planètes par l’instabilité gravitationnelle, en ce sens que ces structures en spirale, qui se fragmentent en amas qui finissent par former des planètes, sont là où la structure du disque sera perturbé. Tout ce qui perturbe cette structure en spirale rend plus difficile l’apparition de cette agglutination et la formation des planètes via l’instabilité gravitationnelle”. Les scientifiques expliquent que la distorsion réchauffe le disque en induisant de petites perturbations sur la vitesse du gaz en orbite. Le gaz doit être froid pour s’agglutiner, donc en chauffant le disque, la structure du bras en spirale est anéantie. Il existe plusieurs façons de déformer un disque protoplanétaire. Quelques exemples incluent; si un gros objet, comme une étoile, passe à proximité lors d’une rencontre de survol ; si le disque entoure un système stellaire binaire dont l’orbite n’est pas alignée avec le disque ; ou si une source de gaz à proximité s’accumule sur le disque.

Ces dernières années, les preuves de disques protoplanétaires déformés ont considérablement augmenté, suggérant qu’ils sont plus courants dans l’Univers qu’on ne le pensait auparavant. Cela fournit également une explication potentielle du grand nombre de disques protoplanétaires massifs qui ne présentent pas de structure en spirale. Le Dr Nealon ajoute : “Normalement, nous pensons que ces disques se forment isolément, mais ce n’est pas vraiment le cas. C’est un quartier chaotique, avec beaucoup d’étoiles à proximité, et vous pourriez avoir une étoile qui passe à proximité et cette interaction gravitationnelle est suffisante pour provoquer cette distorsion. Une fois que nous avons commencé à obtenir des observations de disques déformés, nous avons dû commencer à prendre en compte les déformations dans notre modélisation. Nous avons besoin d’une plus grande prise en compte des distorsions dans l’évolution des disques protoplanétaires et de comprendre que les distorsions peuvent avoir un impact sur les mécanismes et la physique de l’évolution des disques existants. Nous devons considérer comment les déformations affectent tous les facteurs de la formation planétaire”.

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Sahl Rowther a déclaré: “Cette étude combine deux effets physiques qui n’ont pas été combinés auparavant, la physique des disques auto-gravitants avec la distorsion. Ceci est important car les disques auto-gravitants sont étudiés depuis un certain temps et c’est un domaine bien établi. Les distorsions sont une idée beaucoup plus récente. “Nous avons modélisé cela de la manière la plus simple possible pour nous permettre d’être vraiment sûrs de ce que nous avons fait et de le démontrer facilement”.

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