Des disques de gaz et de poussière entourent les jeunes étoiles nouvellement formées. Ils sont appelés disques protoplanétaires, et on s'attend à ce que des planètes s'y développent au cours des 10 premiers millions d'années de la vie des étoiles. Mais la manière exacte dont les planètes se forment reste aujourd'hui une question ouverte. Parmi les mécanismes qui peuvent entrer en jeu se trouve ce qu'on appelle les instabilités gravitationnelles, un processus qui se produit lorsque le disque est suffisamment massif pour que sa gravité devienne pertinente dans la façon dont les particules interagissent entre elles.
Les instabilités gravitationnelles peuvent entraîner la fragmentation du disque en petits amas, qui pourraient devenir très rapidement des planètes géantes.
Elias 2-27 n'est pas une inconnue des astrophysiciens puisque c'est en 2016 que, déjà grâce à ALMA, Laura Perez, co-autrice de cette étude d'aujourd'hui, et ses collaborateurs, avaient découvert pour la première fois la présence de spirales dans un disque protoplanétaire autour de cette très jeune étoile (0,8 millions d'années). C'est pour poursuivre l'étude de la formation de ces bras spiraux que les astrophysiciens ont réutilisé ALMA dans d'autres longueurs d'ondes (à 0.89, 1.3 et 3.3mm) pour étudier simultanément la répartition du gaz et de la poussière dans le disque de Elias 2-27.
La confirmation de l'asymétrie verticale et des perturbations de vitesse, les premières perturbations à grande échelle liées à la structure spirale d'un disque protoplanétaire, pourrait avoir des implications importantes pour la théorie de la formation des planètes. Il pourrait en effet s'agir d'un fort indice d'instabilité gravitationnelle, qui pourrait accélérer certaines des premières étapes de la formation des planètes. Ce type de signature a par ailleurs été prédit pour la première fois en 2020, grâce à des simulations, par l'astronome américaine Cassandra Hall à Université de Georgie.
A partir des analyses des données du continuum d'émission de la poussière, l'équipe de recherche internationale menée par Teresa Paneque Carreño pense que ce sont bien des instabilités gravitationnelles qui sont à l'origine des spirales du disque protoplanétaire, plutôt que l'interaction avec une planète ou une étoile accompagnatrice comme on le pense généralement.
La localisation spatiale des particules de différentes tailles permet de comprendre les processus de croissance de la poussière et de déduire l'origine de la morphologie en spirale. De plus, la haute sensibilité d'ALMA a permis d'étudier les perturbations cinématiques et les processus dynamiques qui sont tracés par l'émission du gaz moléculaire CO (monoxyde de carbone) avec deux espèces isotopiques différentes : le 13CO et le C18O. Ces traceurs gazeux ont montré que le disque était fortement perturbé et entouré d'émissions à grande échelle produites par du gaz, situé au-delà de l'étendue du disque principal de poussière et de gaz.
Des perturbations verticales dans le gaz d'un disque protoplanétaire observées à la fois dans la morphologie des surfaces émettrices et dans les profils de vitesse, n'avaient jamais été observées auparavant. Ces perturbations sont trop importantes pour être expliquées par la présence d'une planète déjà formée ou d'une étoile compagne. Pour les astrophysiciens, après comparaison des observations avec des simulations d'un disque de poussière de masse égale à 0,001 masse solaire entourant l'étoile de 0,5 masse solaire et des tailles de grains comprises entre 1 µm et 1 cm, qui permettent de reproduire les bras spiraux dans les trois longueurs d'ondes étudiées, la structure verticale asymétrique du disque est très probablement liée à l'afflux continu de matière en provenance du nuage de gaz environnant. Cela démontre à quel point les sites de formation de planètes sont chaotiques et soumis à des instabilités gravitationnelles.
Paneque-Carreño et ses collaborateurs notent également qu'il existe un meilleur contraste sur les images des bras spiraux pour les plus grandes longueurs d'ondes. Ils en déduisent un indicateur possible d'un grossissement des grains de poussière et d'un piégeage au niveau des bras spiraux. Et comme les valeurs de l'indice spectral (l'évolution du spectre observé en fonction de la longueur d'onde) indiquent également la présence de grands grains dans le disque externe, jusqu'à environ 70 unités astronomiques, impliquant une profondeur optique et un albédo élevés dans cette région, les astrophysiciens en concluent que la masse des solides estimée selon les hypothèses standard est probablement une limite inférieure. Pour eux, la masse du disque de Elias 2-27 est très probablement plus élevée que ce qui a été précédemment estimé.
Mais Paneque-Carreño et ses collaborateurs soulèvent également une inconnue : il existe aussi un vide interstitiel (un gap) dans le disque de gaz, révélé par les émissions de C18O aux environs de 240 unités astronomiques de l'étoile, pour lequel les chercheurs n'ont à ce jour pas d'explication claire...
Le disque d'Elias 2-27 va rester un beau sujet d'étude, même bien après la soutenance de thèse de Teresa Paneque-Carreño...
Source
Spiral Arms and a Massive Dust Disk with Non-Keplerian Kinematics: Possible Evidence for Gravitational Instability in the Disk of Elias 2–27
T. Paneque-Carreño et al.
The Astrophysical Journal, Volume 914, Number 2 (17 june 2021)
Illustration
Le disque protoplanétaire d'Elias 2-27 observé par ALMA dans 3 longueurs d'ondes et montrant deux bras spiraux (Paneque-Carreño1 et al.)
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