Anneaux multiples dans les disques protoplanétaires : une planète pour les gouverner tous

Les observations récentes de disques protoplanétaires, ces systèmes planétaires en formation, dévoilent fréquemment des séquences d’anneaux sombres et brillants. Alors que ces structures sont souvent attribuées à de multiples planètes, des simulations numériques montrent qu’elles peuvent être générées par une seule Saturne qui se déplace par à-coups vers son étoile. Ces résultats publiés dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) sont issus de travaux menés à l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP – CNRS/CNES/UT3 Paul Sabatier).

De plus en plus de planètes sont détectées autour d’étoiles autres que le Soleil. Il existe même de nombreux cas de systèmes multiplanétaires, dont les planètes se sont formées pendant les jeunes années de leur étoile. Chaque disque protoplanétaire que l’on observe fréquemment aujourd’hui constitue donc une photographie précieuse d’un système planétaire en devenir, et leur compréhension est un enjeu essentiel pour modéliser la formation et l’évolution des planètes.

On observe très régulièrement des structures dans la lumière émise par la poussière des disques protoplanétaires. Ces structures, qui prennent souvent la forme d’anneaux brillants et sombres, sont les témoins figés de mécanismes dynamiques à l’œuvre et ont suscité beaucoup d’activité de la part des modélisateurs des disques protoplanétaires. Selon un modèle répandu, chaque anneau sombre correspondrait au sillon ouvert par une planète qui tourne autour de son étoile à une distance donnée. D’une part, il n’y a pas encore de preuve observationnelle de la présence de telles planètes, et d’autre part, l’interaction entre une planète et le gaz du disque protoplanétaire peut modifier rapidement la distance de la planète à son étoile. Prendre en compte cette migration planétaire peut donc apporter des informations plus précises quant à l’impact d’une planète sur l’émission des poussières, en radio notamment.

En haut : lumière émise par la poussière de quatre disques protoplanétaires observés grâce au radiotélescope ALMA. Crédit : Huang et al. (2018). On peut voir sur ces images des séquences d’anneaux brillants et sombres. En bas : Prédiction de l’émission radio de poussières perturbées par le déplacement saccadé d’une planète géante dans son disque. L’alternance d’anneaux brillants et sombres montre un constraste d’intensité observable avec la sensibilité actuelle d’ALMA.

Des simulations numériques d’un disque protoplanétaire de gaz et de poussières réalisées à l’IRAP ont permis de montrer que la migration intermittente d’une planète de type Saturne dans son disque est capable de générer des anneaux successifs de poussières millimétriques. Des calculs complémentaires de transfert radiatif dans la poussière, qui modélisent l’interaction entre les rayons lumineux de l’étoile centrale et les poussières du disque, ont par ailleurs confirmé que la présence de ces anneaux de poussières conduit à une alternance d’anneaux brillants et sombres dans l’émission radio. De plus, le contraste d’intensité obtenu entre anneaux brillants et sombres est détectable avec la sensibilité actuelle du radiotélescope ALMA.

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