Résumé :
Les observations de dizaines de jeunes étoiles semblables au Soleil par le télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA montrent que les forces qui extraient le gaz des disques de formation des planètes changent à mesure que les systèmes stellaires mûrissent.
Le gaz utilisé pour créer des planètes autour de jeunes étoiles continue de disparaître. De nouvelles observations du télescope Webb montrent que cette perte de gaz ne se produit pas de la même manière à toutes les étapes de l'évolution précoce d'un système planétaire. Au lieu de cela, les vents stellaires chargés d’éloigner la matière du système semblent changer à mesure que le système vieillit.
Cette étude, dirigée par Naman Bajaj de l'Université d'Arizona et à laquelle a participé Uma Goldi, scientifique à l'Institut SETI, a analysé les disques protoplanétaires autour de 72 jeunes étoiles semblables au Soleil. Il s’agit à ce jour de l’une des plus grandes études réalisées par le télescope Webb sur la formation des planètes. L’étude a révélé qu’à différents stades de l’évolution du disque protoplanétaire, différents mécanismes d’élimination des gaz domineront. Des résultats pertinents ont été publiés dans l'Astronomical Journal.
De manière passionnante, a déclaré Goldi, les chercheurs sont désormais capables d'observer, en utilisant de grands échantillons de jeunes étoiles, comment les mécanismes qui éliminent le gaz des disques de formation des planètes changent au fil du temps. La dissipation du disque protoplanétaire définit une horloge de base pour la formation des planètes : une fois le gaz disparu, la possibilité de former une planète géante riche en gaz est pratiquement terminée.
Le système solaire actuel a environ 4,5 milliards d'années et la majeure partie est vide. Cependant, au cours des premiers millions d'années qui ont suivi la naissance du soleil, le jeune soleil était entouré d'un disque protoplanétaire dense, dans lequel la masse de gaz était environ 100 fois supérieure à celle de la poussière. Finalement, la majeure partie de ce gaz disparaît.
La vitesse de disparition du gaz est cruciale car le gaz présent dans le disque protoplanétaire est la matière première pour la formation de planètes géantes telles que Jupiter et Saturne. Si le gaz se dissipe prématurément, les planètes n’auront peut-être pas le temps de créer une atmosphère importante.
Bajai et ses collègues ont utilisé les observations archivées de l'instrument infrarouge moyen (MIRI) du télescope Webb pour reconstituer l'évolution du disque protoplanétaire. Ces 72 systèmes stellaires se trouvent à différents stades de développement de jeunes systèmes planétaires. Les chercheurs les ont combinés dans une séquence évolutive pour suivre l’évolution des mécanismes qui éliminent les gaz des disques protoplanétaires avec l’âge.
L'étude teste également les prédictions théoriques faites avant que le télescope Webb ne puisse observer directement la matière en question. En 2020, Ilariya Pascucci, professeur au Laboratoire lunaire et planétaire, a été le deuxième auteur de l'article et le mentor de Bajaj. Elle a autrefois dirigé l’équipe chargée d’étudier l’évolution des jets et des vents stellaires. À cette époque, les chercheurs ne pouvaient pas observer directement l’hydrogène moléculaire parce que le télescope Webb n’était pas encore opérationnel, mais ils prédisaient qu’il pourrait y avoir des vents moléculaires suffisamment massifs dans les jeunes systèmes stellaires pour bloquer les photons X. Cette fois, le télescope Webb a confirmé cette prédiction en suivant directement l'hydrogène moléculaire.
Les chercheurs se sont concentrés sur les signaux de deux gaz s'échappant du disque protoplanétaire : l'hydrogène moléculaire et le néon ionisé. L'hydrogène moléculaire est la molécule la plus abondante dans les disques protoplanétaires. L'excellente sensibilité et la résolution spatiale du télescope Webb ont permis aux chercheurs de distinguer un large éventail de vents d'hydrogène moléculaire des jets tracés au néon et des vents stellaires.
Dans les systèmes stellaires les plus jeunes, la matière continue de tomber vers l'étoile centrale. Le télescope Webb a découvert que ces systèmes possèdent des jets puissants et de larges écoulements contenant à la fois des gaz moléculaires et atomiques. Leurs caractéristiques sont cohérentes avec les vents stellaires entraînés par les champs magnétiques qui pénètrent dans le disque protoplanétaire. Le gaz peut se déplacer vers l’extérieur le long des lignes de champ magnétique, supprimant ainsi la masse et le moment cinétique.
À mesure que le système stellaire mûrit, moins de matière tombe vers l'étoile centrale, le jet commence à s'affaiblir et la proportion de gaz atomique dans le flux sortant devient de plus en plus élevée. Avec moins de matériaux bloquant le rayonnement de haute énergie, le rayonnement de haute énergie émis par les jeunes étoiles est capable de pénétrer plus profondément dans le disque protoplanétaire et de chauffer suffisamment le gaz pour s'échapper. Ce processus est appelé photoévaporation.
Goldy a passé des décennies à étudier l'évolution des disques protoplanétaires et leurs processus de perte de gaz, y compris le rôle des rayonnements ultraviolets et X dans la génération de vents photoévaporatifs. Le télescope Webb a désormais lié cette étude théorique à des mesures pratiques grâce à l'observation de dizaines de jeunes systèmes stellaires. Les observations montrent qu'à mesure que les disques protoplanétaires vieillissent, l'importance de la photoévaporation augmente, tandis que les jets entraînés par un champ magnétique et les vents stellaires s'affaiblissent progressivement.
Les observations montrent que la dissipation des disques protoplanétaires n'est pas contrôlée par un mécanisme unique. Les jeunes systèmes planétaires semblent subir une transition, passant d'une domination par de puissants jets entraînés par un champ magnétique et de vents stellaires dans les premiers stades à une domination progressive par des sorties de gaz atomiques, y compris des vents de photoévaporation.
Les changements dans ce mécanisme dominant déterminent la durée pendant laquelle une planète peut obtenir les gaz dont elle a besoin pour se former.
La formation des planètes est en réalité une course contre la montre, a déclaré Bajaj. Une géante gazeuse comme Jupiter doit développer une atmosphère massive alors que son disque protoplanétaire est encore suffisamment grand pour fournir un approvisionnement continu en gaz ; sinon, les vents et les jets stellaires transporteraient ces matières premières dans l’espace.
Sur les 72 disques protoplanétaires, 66 présentent une large gamme d'émissions d'hydrogène moléculaire et de néon ionisé. Les chercheurs ont détecté des vents coniques d’hydrogène moléculaire dans 46 systèmes et des jets de néon à grande vitesse dans 40 systèmes. Tous les disques protoplanétaires dotés de jets de néon montrent également des traces de vents stellaires tracés par l'hydrogène ou l'oxygène moléculaire.
Cette nouvelle analyse s'appuie sur les précédentes observations du télescope Webb de l'équipe. En 2024, Bajaj, Goldi et leurs collègues ont capturé une image montrant que le disque de formation des planètes autour de la jeune étoile T Cha perd du gaz.
Des recherches antérieures ont prouvé que le télescope Webb peut observer directement le processus de dissipation des disques protoplanétaires dans un seul système planétaire. L’étude étend cette approche à des dizaines de jeunes étoiles, révélant comment l’importance relative des jets, des vents moléculaires et des vents atomiques change à mesure que les systèmes stellaires mûrissent.
Les chercheurs espèrent ensuite déterminer la quantité de gaz que ces vents stellaires emportent à différents moments, et quelles régions du disque protoplanétaire fournissent une source de matière pour le gaz sortant. Ces mesures devraient non seulement révéler la rapidité avec laquelle la fenêtre de formation des planètes se ferme, mais pourraient également aider les scientifiques à déterminer exactement où dans le disque protoplanétaire différents types de planètes auraient pu se former avant que le gaz disponible ne disparaisse.
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