Nous avons maintenant vu les disques qui composent les planètes autour de centaines de jeunes étoiles. Que nous disent-ils ?

Notre système solaire est-il comparable aux autres systèmes solaires ? À quoi ressemblent les autres systèmes ? Nous savons, grâce à la recherche sur les exoplanètes, que de nombreux autres systèmes ont des Jupiters chauds, des géantes gazeuses massives en orbite extrêmement proche de leurs étoiles. Est-ce normal et notre système solaire est extrême ?

Une façon de résoudre ces questions est d’étudier les disques qui composent les planètes autour des jeunes étoiles pour voir comment elles évoluent. Cependant, l’examen d’un large échantillon de ces systèmes est le seul moyen d’obtenir une réponse. Un groupe d’astronomes l’a fait en étudiant 873 disques protoplanétaires.

La masse est un élément essentiel de l’étude des nouveaux disques qui composent la planète. La masse d’un disque détermine la quantité de matière disponible pour former des planètes. En mesurant la masse des disques autour des étoiles jeunes, les astronomes peuvent limiter la masse totale des planètes qui peuvent s’y former et se rapprocher un peu plus de la compréhension de l’architecture du système solaire.

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La nouvelle étude est “Orion Disc Study with ALMA (SODA): I. 873 Protoplanetary Disc Cloud Level Demographics.” Il est publié dans la revue Astronomy and Astrophysics et est dirigé par Sierk van Terwisga, chercheur à l’Institut Max Planck d’astronomie à Heidelberg, en Allemagne.

“Jusqu’à présent, nous ne savions pas avec certitude quelles propriétés dominent l’évolution des planètes qui composent la planète autour des jeunes étoiles”, a déclaré van Terwisga dans un communiqué de presse. “Nos nouveaux résultats montrent maintenant que dans un environnement exempt de toute influence extérieure, la masse de disque disponible pour former de nouvelles planètes dépend uniquement de l’âge du système étoile-disque.”

La masse de poussière n’indique pas seulement aux astronomes la masse de planètes qui peuvent se former sur un disque. Selon l’âge du disque, il peut également indiquer aux astronomes quelles planètes se sont déjà formées.

Cependant, le poids du disque est également affecté par d’autres facteurs, et ces facteurs varient d’un disque à l’autre. La masse peut également être affectée par des éléments tels que le vent des étoiles et le rayonnement proche des étoiles proches. Alors, comment les chercheurs ont-ils isolé ces effets dans un si grand échantillon ?

Ils se sont concentrés sur une région bien connue de disques protoplanétaires appelée le nuage Orion A, qui fait partie du complexe de nuages ​​moléculaires d’Orion (OMCC). L’OMCC se trouve à environ 1 350 années-lumière et abrite la nébuleuse d’Orion bien explorée, vue même par les astronomes de basse-cour.

Cette image du nuage géant formant l'étoile Orion A a été prise par le télescope spatial Herschel.  Il surveille la propagation généralisée de la poussière froide.  Orion A est situé à environ 1 350 années-lumière et se compose de zones individuelles de formation d'étoiles marquées par leurs marques.  Les emplacements des disques (+) qui composent la planète observée avec ALMA sont indiqués, tandis que les disques avec une masse de poussière supérieure à 100 masses terrestres sont représentés par des points bleus.  La célèbre nébuleuse d'Orion, visible à l'œil nu dans le ciel, contient la nébuleuse d'Orion (ONC), dont plusieurs étoiles massives qui émettent un rayonnement intense.  Image : SE van Terwisga et al./MPIA
Le télescope spatial Herschel a capturé cette image d’Orion A, un nuage géant d’étoiles qui surveille la propagation généralisée de la poussière froide. Orion A est situé à environ 1 350 années-lumière et se compose de zones individuelles de formation d’étoiles marquées par leurs marques. Les emplacements des disques (+) qui composent la planète observée avec ALMA sont indiqués, tandis que les disques avec une masse de poussière supérieure à 100 Terres sont représentés par des points bleus. La célèbre nébuleuse d’Orion, visible à l’œil nu dans le ciel, contient la nébuleuse d’Orion (ONC), dont plusieurs étoiles massives qui émettent un rayonnement intense. Image : SE van Terwisga et al./MPIA

Álvaro Hacar est co-auteur de l’étude et chercheur à l’Université de Vienne, en Autriche. “Orion A nous a donné un échantillon sans précédent de plus de 870 disques autour des jeunes stars”, a déclaré Hacar. “Il était crucial de pouvoir rechercher de petites différences de poids de disque en fonction de l’âge et même de l’environnement local à l’intérieur du cloud.”

C’est un bon exemple car tous les disques appartiennent au même cloud. Cela signifie que leur chimie est uniforme et qu’ils ont tous la même histoire. Il y a des étoiles massives dans la nébuleuse d’Orion (ONC) à proximité qui pourraient affecter d’autres disques, donc l’équipe a rejeté tous les disques Orion As qui sont à moins de 13 années-lumière de l’ONC.

Mesurer le poids de tous ces disques était difficile. L’équipe a utilisé l’Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA) pour surveiller la poussière. ALMA peut être réglé sur différentes longueurs d’onde, c’est pourquoi l’équipe a observé les jeunes disques à une longueur d’onde de 1,2 mm. A cette longueur d’onde, la poussière est légère, mais l’étoile est faible, ce qui permet d’éliminer les effets de l’étoile sur chaque disque. Parce que l’observation à une distance de 1,2 mm rend les observations insensibles aux objets de plus de quelques millimètres, comme les planètes déjà formées, seule la poussière disponible pour former de nouvelles planètes a été mesurée dans les mesures du groupe de travail.

Cette impression artistique illustre à quoi ressemblent souvent les disques qui composent la planète autour de jeunes étoiles.  Ils se composent à l'origine de poussière et de gaz configurés comme des anneaux de matériau dense.  Au fil du temps, les composants solides se transforment en marges qui peuvent éventuellement se transformer en planètes.  Parce que les observations ALMA utilisées dans cette étude ne sont sensibles qu'aux grains de poussière de taille millimétrique, les disques développés avec des objets plus gros ou même des planètes donnent un signal relativement faible de la matière résiduelle.  De nouveaux résultats montrent que sans rayonnement externe, ces disques se développent de manière similaire.  Dans environ un million d'années, la plupart d'entre elles n'auront pas assez de masse pour produire de grosses planètes comme Jupiter.  Cependant, de telles planètes peuvent déjà s'y être formées.  Crédit image : Département graphique MPIA
Cette impression artistique illustre à quoi ressemblent souvent les disques qui composent la planète autour de jeunes étoiles. Ils se composent à l’origine de poussière et de gaz configurés comme des anneaux de matériau dense. Au fil du temps, les composants solides se transforment en marges qui peuvent éventuellement se transformer en planètes. Parce que les observations ALMA utilisées dans cette étude ne sont sensibles qu’aux grains de poussière de taille millimétrique, les disques développés avec des objets plus gros ou même des planètes donnent un signal relativement faible de matière résiduelle. De nouveaux résultats montrent que sans rayonnement externe, ces disques se développent de manière similaire. Dans environ un million d’années, la plupart d’entre elles n’auront pas assez de masse pour produire de grosses planètes comme Jupiter. Cependant, de telles planètes peuvent déjà s’y être formées.
Crédit image : Département graphique MPIA

Mesurer la poussière sans l’intervention des étoiles était un obstacle, mais les chercheurs étaient confrontés à un autre : les données.

Une étude détaillée de près de 900 disques protoplanétaires génère beaucoup de données, et toutes ces données doivent être traitées avant d’avoir une signification collective. Si l’équipe s’était appuyée sur les méthodes existantes, il aurait fallu environ six mois pour traiter toutes ces données. Au lieu de cela, ils ont développé leur propre méthode de traitement des données en utilisant le traitement parallèle. Ce qui aurait pris des mois a pris moins d’une journée. “Notre nouvelle approche a amélioré la vitesse de traitement 900 fois”, a déclaré le co-auteur Raymond Oonk.

Lors du traitement des données, les chercheurs ont découvert que la plupart des disques ne contenaient que 2,2 masses de poussière terrestre. Sur les quelque 900 disques, seuls 20 contenaient suffisamment de poussière pour 100 Terres ou plus. “Afin de rechercher des variations, nous avons disséqué le nuage Orion A et analysé ces zones séparément. Cependant, grâce aux centaines de disques, les sous-échantillons étaient suffisamment grands pour donner des résultats statistiquement significatifs », a expliqué van Terwisga.

Les chercheurs ont trouvé une variabilité dans la masse de poussière du disque dans différentes régions d’Orion A, mais les différences étaient minimes. Selon les auteurs, les différences peuvent être prises en compte par l’effet de l’âge. Au fur et à mesure que les disques vieillissent, le poids du disque diminue et les grappes des mêmes anciens disques ont la même répartition du poids. “Il faut souligner que les différences entre ces amas éloignés dans le ciel sont faibles et peu importantes les unes pour les autres et pour le terrain, même dans les cas les plus extrêmes”, écrivent les auteurs dans leur ouvrage. papier.

Cette figure d'étude montre six grappes de disques de faible poids et de faible densité.  Malgré leur utilisation généralisée dans Orion As, les disques montrent la même corrélation masse-âge.  Crédit image : SE van Terwisga et al.  L'année 2022.
Cette figure montre les six grappes de faible poids et densité d’OSJ dans l’étude. Malgré leur utilisation généralisée dans Orion As, les disques montrent la même corrélation masse-âge. Crédit image : SE van Terwisga et al. L’année 2022.

Au fur et à mesure que les disques vieillissent, leur masse de poussière diminue. La plus grande partie de ce déclin est causée par la formation des planètes : les planètes deviennent poussière. Cependant, d’autres effets contribuent également à la perte de poussière. La poussière peut se déplacer vers le centre du disque et le rayonnement de l’étoile hôte peut évaporer la poussière. Cependant, cette étude renforce le lien entre l’âge et la perte de poussière.

Les résultats de cette étude peuvent-ils être valables pour d’autres jeunes populations de disques stellaires ? Les auteurs ont comparé leurs résultats avec la formation de plusieurs jeunes étoiles en forme de disque d’Orion A. La plupart d’entre eux, mais pas tous, sont cohérents avec les pertes de masse liées à l’âge observées à Orion As. “Dans l’ensemble, nous pensons que notre étude montrera que pendant au moins les 1 000 prochaines années-lumière, toutes les populations des planètes qui composent la planète afficheront la même distribution de masse à un âge donné. Et ils semblent se développer plus ou moins de la même manière », a déclaré van Terwisga.

Les chercheurs ont encore du travail à faire. Ils commenceront à étudier les effets d’étoiles plus petites à plus petite échelle, à quelques années-lumière. Dans cette étude, ils ont évité les effets que les étoiles massives de l’ONC pourraient avoir sur les disques voisins. Cependant, des lettres de fond plus petites peuvent affecter les disques et expliquer certaines des petites différences de corrélation entre l’âge et le poids.

L’âge de l’étoile et de son disque, ses propriétés chimiques et la dynamique du nuage d’origine sont combinés à la masse pour brosser un tableau plus clair du système solaire sur le disque. Les astronomes ne peuvent pas prendre de telles données ou prédire les types de planètes qui pourraient se produire dans n’importe quel système solaire. Cependant, il est à noter que la corrélation entre l’âge du disque et le poids du disque est forte, même pour les grandes structures comme Orion A.

“Les propriétés remarquablement homogènes des échantillons du même âge sont une découverte surprenante”, concluent les auteurs, et leurs résultats confirment ce que les études et enquêtes précédentes ont suggéré. “Mais nous pouvons maintenant montrer que cela s’applique au plus grand nombre d’YSO et de clusters YSO qui se forment dans des parties bien séparées du même nuage géant. Pour la première fois, la taille sans précédent d’un zoom SODA (étude de disque Orion avec Alma) .

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