01/10/2016

Observation d'une structure spirale dans un disque protoplanétaire


Une nouvelle observation effectuée par ALMA montre pour la première fois la présence d'une structure spirale à l'intérieur d'un disque protoplanétaire, là où se forment les planètes.




Cette découverte peut avoir une importance pour la formation des planètes, une telle structure de bras spiraux peut indiquer la présence d'une planète déjà formée ou bien être justement propice à une telle formation. L'équipe de Laura Perez (Max Planck Institute für Radioastronomie) ont utilisé le grand réseau de radiotélescopes ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) pour imager le voisinage proche de l'étoile Elias 2-27, située à 450 années-lumière en regardant l'émission thermique de sa poussière en ondes millimétriques (1,3 millimètres exactement).
Elias 2-27 est une étoile jeune, dont l'âge est estimé à seulement 1 million d'années, elle est située dans une grande région de formation d'étoiles nommée le complexe de ρ-Ophiuchi. Elle était déjà connue pour posséder un disque protoplanétaire, mais la résolution des images précédentes (de l'ordre de 1'') ne laissait voir qu'un disque axi-symétrique sans structures. La résolution atteinte par ALMA est ici de seulement 0,24''. 
L'émission thermique observée pour produire cette image est associée à  des grains de poussière qui représentent entre 1% et 10% de la masse du disque protoplanétaire de Elias 2-27.
ALMA, grâce à sa résolution hors du commun avait déjà permis de produire en 2014 et 2015 des images exceptionnelles de disques protoplanétaires, on s'en souvient, réussissant à montrer la présence de larges bandes "vides" au sein de plusieurs disques de poussière, donnant une apparence d'anneaux de poussière et de gaz autour des jeunes étoiles observées. Cette fois-ci, c'est l'existence d'une structure spirale avec de fins détails qui est observée.
Selon les spécialistes, de telles structures en bras spiraux ont une réelle importance dans la formation des planètes car dans un disque homogène, les planètes ne peuvent se former que lentement, petit à petit quand les particules de poussière au sein du gaz se collisionnent par hasard et s'agrègent les unes aux autres. Et dès que les petits corps formés atteignent la taille d'environ 1 mètre, l'effet du gaz dans leur voisinage les fait inéluctablement migrer en direction de l'étoile, en l'espace de 1000 ans seulement. Et cette courte durée est trop faible pour que le petit corps grossisse encore suffisamment pour ne plus être trop sensible à la pression du gaz.


Il y avait donc un petit mystère sur la formation des premières briques de planètes : comment les premiers petits cailloux pouvaient-ils "survivre" au sein du nuage de gaz en restant à une bonne distance de leur étoile ?
L'existence d'ondes de densité au sein du disque protoplanétaire, qui se traduisent par des bras spiraux est l'une des réponses à cette question. Laura Perez précise : "Les bras spiraux observés autour de Elias 2-27 montrent que des instabilités de densité sont possibles au sein du disque, ce qui peut mener à de fortes inhomogénéités du disque et ensuite à la formation de planètes". Dans les régions où la densité est plus élevée, les grains de poussière ont plus de probabilité de s'agréger rapidement et atteindre une taille critique les prémunissant d'une destruction précoce. 
Les deux bras spiraux autour de Elias 2-27 s'étendent à plus de 100 fois la distance Soleil-Terre, plus loin que la distance de la ceinture de Kuiper. Une telle distance étendue peut également donner un indice sur l'existence de planètes qui sont très éloignées de leur étoile.
Les chercheurs notent que des planètes déjà formées au sein du disque pourraient aussi produire des ondes de densité et l'apparition de spirales. Il se trouve que ces images de ALMA montrent aussi une bande étroite avec beaucoup moins de poussière, mais elle ne serait pas cohérente avec une planète suffisamment massive pour produire les instabilités à l'origine des bras spiraux. En revanche, une alternative pour la production d'une telle structure spirale serait la gravité propre au disque pouvant générer des instabilités suffisantes. Les astronomes n'excluent pas totalement cette explication.

Des observations similaires avec ALMA devraient maintenant devenir légion, et de plus en plus détaillées. A coup sûr l'observation de telles structures spirales dans les disques protoplanétaires permettront de mieux comprendre la très grande variété observée dans les exoplanètes. 

Source :

Spiral density waves in a young protoplanetary disk
Laura M. Pérez et al.
Science   Vol. 353, Issue 6307, pp. 1519-1521 (30 Sep 2016)


Illustration :
1) A gauche : le complexe de ρ-Ophiuchi imagé en infra-rouge (NASA/Spitzer/JPL-Caltech/WISE-Team), à droite : le disque protoplanétaire de Elias 2-27 (B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), L. Pérez (MPIfR)

2) Le réseau ALMA (ESO)