Comment se forment les planètes géantes

Les astronomes ont élaboré deux théories pour expliquer la naissance de planètes géantes comme Jupiter ou Saturne. Dans le premier mécanisme, la construction se fait de bas en haut, en formant d'abord un noyau solide, environ dix fois plus grand que la Terre. "Ensuite, ce noyau a une masse suffisante pour attirer et retenir une quantité considérable de gaz", explique Judit Szulágyi, astrophysicienne à l'ETH Zurich et membre du Pôle de recherche national PlanetS.

La deuxième théorie est un scénario de haut en bas : Dans ce cas, le disque de matière autour de la jeune étoile est si dense que le gaz et la poussière forment, en raison de leur gravité, des bras spiraux qui contiennent des grumeaux. Finalement, la gravitation fait s'effondrer ces grumeaux directement sur eux-mêmes, formant ainsi une planète gazeuse, de la même manière que les étoiles sont formées. Le premier mécanisme s'appelle "l'accrétion nucléaire", le second "l'instabilité du disque". Dans les deux cas, un disque dit circumplanétaire se forme autour des géantes gazeuses - le lieu de naissance des lunes.

Simulation avec un superordinateur

Pour découvrir quel mécanisme se produit réellement dans l'univers, Judit Szulágyi et Lucio Mayer, professeur à l'Université de Zurich, ont simulé les deux scénarios sur le superordinateur Piz Daint du Centre suisse des superordinateurs (CSCS) à Lugano. "Nous avons poussé nos simulations à la limite de la complexité de la physique que nous avons utilisée pour nos modèles", explique Judit Szulágyi : "Et nous avons obtenu une résolution plus élevée que quiconque auparavant".

Dans leurs études, publiées dans la revue "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society", les chercheurs ont constaté une grande différence entre les deux mécanismes de formation : Dans le scénario d'instabilité du disque, le gaz près de la planète est resté très froid, autour de 50 kelvins, alors que dans le cas de l'accrétion nucléaire, le disque circumplanétaire a été chauffé à plusieurs centaines de kelvins. "Les simulations de l'instabilité du disque sont les premières à pouvoir résoudre le disque circumplanétaire autour de multiples protoplanètes", explique Mayer.

Cette énorme différence de température est facilement observable. "Lorsque les astronomes regardent des systèmes planétaires naissants, il suffit de mesurer la température à proximité de la planète pour savoir quel mécanisme a formé la planète", explique Szulágyi. Une première comparaison des données calculées et observées semble plutôt plaider en faveur de la théorie de l'accrétion nucléaire.

En revanche, une autre différence prédite n'est pas apparue dans les simulations informatiques. Auparavant, les astrophysiciens avaient supposé que la masse du disque circumplanétaire différait nettement dans les deux scénarios. "Nous avons montré que ce n'était pas le cas", explique la chercheuse.

Découverte d'un front de choc lumineux

En ce qui concerne la taille des planètes nouvellement nées, les observations peuvent être trompeuses. C'est ce qu'a découvert l'astrophysicienne de l'ETH dans une deuxième étude menée en collaboration avec Christoph Mordasini, professeur à l'Université de Berne. Dans le modèle d'accrétion nucléaire, les chercheurs se sont concentrés sur le disque entourant les planètes dont la masse est trois à dix fois supérieure à celle de Jupiter. Les simulations informatiques ont montré que le gaz qui tombe sur le disque depuis l'extérieur est chauffé et forme un front de choc lumineux sur la couche supérieure du disque. Cela modifie de manière décisive l'apparence des jeunes planètes.

"Lorsque nous observons un point brillant à l'intérieur d'un disque circumplanétaire, nous ne savons pas si nous voyons seulement la planète briller ou si nous voyons aussi le disque qui l'entoure", explique Szulágyi. Ainsi, la masse de la planète peut être surestimée jusqu'à quatre fois. "Il se peut donc qu'une planète observée n'ait qu'une masse équivalente à celle de Saturne, au lieu de quelques masses de Jupiter", conclut la scientifique.

Dans leurs simulations, les astrophysiciens ont imité le processus de formation en appliquant les lois physiques fondamentales de la gravitation ou de l'hydrodynamique et la théorie des gaz. Comme les modèles physiques étaient si complexes, les simulations ont nécessité un temps de calcul important, même sur le superordinateur le plus rapide d'Europe au CSCS. "Cela correspondrait à une durée d'exécution d'environ neuf mois sur des centaines ou quelques milliers de cœurs d'ordinateurs", estime Szulágyi : "Cela signifie qu'avec un seul cœur d'ordinateur, cela aurait duré plus longtemps que toute ma vie".

Mais d'autres défis attendent les chercheurs. Les simulations d'instabilité du disque ne couvrent pas encore une longue période. Une fois que la protoplanète s'est effondrée jusqu'à la densité de Jupiter, son disque pourrait être chauffé comme dans le cas de l'accrétion nucléaire. De plus, dans le cas de l'accrétion nucléaire, le gaz plus chaud serait partiellement ionisé, ce qui offrirait un environnement favorable aux effets du champ magnétique, qui ont été négligés jusqu'à présent. Les prochaines étapes consisteront donc en des simulations encore plus complexes avec une description plus détaillée de la physique.

L'auteur de ce texte, Barbara Vonarburg, est responsable des relations publiques du Pôle de recherche national. page externePlanetS.