Comment trois anneaux de fer pourraient redéfinir la formation des planètes

Une structure à trois anneaux dans la région de formation des planètes du disque circumstellaire où les minéraux et les métaux servent de dépôt aux éléments constitutifs planétaires.

Une équipe de recherche, comprenant des astronomes de l'Institut Max Planck d'astronomie (MPIA), a découvert une structure de pépinière planétaire à trois anneaux dans le disque interne de formation de planète d'une jeune étoile. Cette configuration suggère deux Jupiter– Des planètes avec une masse se forment dans les interstices entre les anneaux. Une analyse détaillée est cohérente avec l’abondance de grains de fer solides qui complètent la composition de la poussière. En conséquence, le disque contient probablement des minéraux et des métaux similaires à ceux trouvés sur les planètes telluriques du système solaire. Il donne un aperçu de conditions similaires à celles du système solaire primitif il y a plus de quatre milliards d'années, lors de la formation de planètes rocheuses telles que Mercure. Planète Vénuset la terre.

Trois anneaux de fer dans un disque formant planète

L'origine de la Terre et du système solaire inspire les scientifiques et le public. En étudiant l’état actuel de notre planète et d’autres corps du système solaire, les chercheurs ont dressé un tableau détaillé des conditions dans lesquelles ils ont évolué à partir d’un disque de poussière et de gaz entourant le soleil naissant il y a environ 4,5 milliards d’années.

Trois anneaux indiquent deux planètes

Grâce aux progrès étonnants réalisés dans la recherche sur la formation d'étoiles et de planètes ciblant des corps célestes lointains, nous pouvons désormais explorer les conditions dans les environnements entourant les jeunes étoiles et les comparer à celles du système solaire primitif. Utilisation de l'Observatoire européen austral (Éso) Très grand télescope VLTI, c'est ce qu'a fait une équipe internationale de chercheurs dirigée par Józef Varga de l'Observatoire Konkoli de Budapest, en Hongrie. Ils ont observé le disque formant planète de la jeune étoile HD 144432, à environ 500 années-lumière.

Une vue aérienne du très grand télescope (VLT) de l'Observatoire européen austral au sommet du Cerro Paranal, dans le désert d'Atacama au Chili. L'interféromètre VLT (VLTI) combine la lumière de quatre télescopes, permettant une imagerie haute résolution d'objets célestes distants. Crédit photo : G.Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO

« En étudiant la répartition de la poussière dans la région interne du disque, nous avons découvert pour la première fois une structure complexe dans laquelle la poussière s'accumule en trois anneaux concentriques dans un tel environnement », explique Roy van Bokel. Il est scientifique à l'Institut Max Planck d'astronomie (MPIA) à Heidelberg, en Allemagne, et co-auteur de l'article de recherche principal publié dans la revue Astronomie et astrophysique. « Cette région correspond à la région où se sont formées les planètes rocheuses du système solaire », ajoute Van Bokel. Par rapport au système solaire, le premier anneau autour de HD 144432 se trouve sur l'orbite de Mercure et le second est proche de Marsun chemin. De plus, le troisième anneau correspond à peu près à l’orbite de Jupiter.

Jusqu’à présent, les astronomes ont découvert de telles formations principalement à plus grande échelle, correspondant à des mondes situés en dehors de l’espace. Saturne Il tourne autour du soleil. Les systèmes d'anneaux trouvés dans les disques entourant les jeunes étoiles indiquent généralement que les planètes se sont formées dans des interstices à mesure que la poussière et les gaz se sont accumulés sur leur passage. Cependant, HD 144432 est le premier exemple d’un système d’anneaux aussi complexe si proche de son étoile hôte. Il se produit dans une zone riche en poussière, qui est la pierre angulaire des planètes rocheuses comme la Terre. En supposant que les anneaux indiquent la présence de deux planètes se formant dans les interstices, les astronomes ont estimé que leurs masses sont à peu près similaires à celles de Jupiter.

Les conditions peuvent être similaires à celles du premier système solaire

Les astronomes ont déterminé la composition de la poussière à travers le disque jusqu'à sa séparation de l'étoile centrale, ce qui correspond à la distance entre Jupiter et le Soleil. Ce qu'ils ont découvert est très familier aux scientifiques qui étudient la Terre et les planètes rocheuses du système solaire : divers silicates (composés métalliques silicium-oxygène) et autres minéraux trouvés dans la croûte et le manteau terrestre, et peut-être du fer métallique comme celui que l'on trouve sur Mercure et sur Terre. Noyaux. Si elle est confirmée, cette étude sera la première à détecter du fer dans un disque en formation de planète.

Cette illustration est un diagramme schématique du HD 144432 observé avec VLTI. Les données sont cohérentes avec une structure de trois anneaux concentriques. Les espaces entre les anneaux indiquent généralement que les grandes planètes se forment par accrétion de poussière et de gaz le long de leur orbite autour de leur étoile hôte. Les minéraux silicatés existent principalement sous forme de cristaux dans la zone chaude interne. Le retour VLTI ne peut pas limiter le disque externe froid. Crédit : © J. Varga et al. /MPIA

« Jusqu'à présent, les astronomes ont expliqué les observations de disques poussiéreux contenant un mélange de poussière de carbone et de silicate, des matériaux que nous voyons presque partout dans l'univers », explique Van Bokel. Cependant, d’un point de vue chimique, le mélange fer-silicate est plus acceptable dans les régions chaudes du disque interne. En effet, le modèle chimique appliqué aux données par Varga, l’auteur principal de l’article de recherche original, produit de meilleurs résultats lorsque le fer est introduit à la place du carbone.

De plus, la température de la poussière observée dans HD 144432 peut atteindre 1 800 K (environ 1 500 degrés). ° C) sur le bord intérieur et une température modérée de 300 K (environ 25 °C) à l'extérieur. Les métaux et le fer fondent et se condensent à nouveau, souvent en cristaux, dans les régions chaudes proches de l'étoile. En revanche, les grains de carbone ne survivront pas à la chaleur et existeront sous forme de monoxyde de carbone ou de dioxyde de carbone. Cependant, le carbone peut encore être un composant important des particules solides du disque externe froid, que les observations de cette étude ne peuvent pas suivre.

Les poussières riches en fer et pauvres en carbone sont également bien adaptées aux conditions du système solaire. Mercure et la Terre sont des planètes riches en fer, tandis que la Terre contient relativement peu de carbone. « Nous pensons que le disque HD 144432 pourrait être très similaire au premier système solaire qui a fourni une grande partie du fer aux planètes rocheuses que nous connaissons aujourd'hui », explique van Bokel. « Notre étude pourrait être un autre exemple montrant que la formation de notre système solaire peut être assez typique. »

L'interférométrie résout les petits détails

La récupération des résultats n'a été possible que grâce à des observations à haute résolution exceptionnelle, telles que fournies par le VLTI. En combinant les quatre télescopes VLT de 8,2 mètres de l'Observatoire Paranal de l'Observatoire européen austral, ils peuvent résoudre les détails comme si les astronomes utilisaient un télescope doté d'un miroir primaire de 200 mètres. Varga, van Bokel et leurs collaborateurs ont acquis les données à l'aide de trois instruments pour obtenir une large couverture de longueur d'onde allant de 1,6 à 13 micromètres, ce qui représente la lumière infrarouge.

MPIA a fourni des éléments biotechnologiques pour deux instruments, GRAVITY et l'expérience spectroscopique multi-ouvertures dans l'infrarouge moyen (MATISSE). L'un des principaux objectifs de Mattis est d'étudier les régions rocheuses qui composent les planètes autour des jeunes étoiles. « En examinant l'intérieur des disques protoplanétaires autour des étoiles, nous visons à explorer l'origine des différents minéraux contenus dans le disque – des minéraux qui formeront plus tard les composants solides de planètes comme la Terre », explique Thomas Henning, directeur et chercheur du MPIA. Participant PI de l'outil MATISSE.

Cependant, produire des images interférométriques comme celles que nous avons l’habitude d’obtenir à partir de télescopes individuels n’est pas facile et prend du temps. L’utilisation la plus efficace d’un temps d’observation précieux pour déchiffrer la structure des objets consiste à comparer des données éparses avec des modèles de configurations cibles possibles. Dans le cas du HD 144432, la structure à trois anneaux représente mieux les données.

Dans quelle mesure les disques de formation de planètes riches en fer sont-ils courants ?

Outre le système solaire, HD 144432 semble fournir un autre exemple de planètes se formant dans un environnement riche en fer. Mais les astronomes ne s’arrêteront pas là. «Nous avons encore quelques candidats prometteurs qui attendent que le VLTI les examine de plus près», souligne Van Bokel. Lors d’observations précédentes, l’équipe a découvert un certain nombre de disques autour de jeunes étoiles qui indiquent des configurations méritant d’être revisitées. Cependant, ils révéleront sa structure détaillée et sa chimie à l’aide de dispositifs VLTI de pointe. À terme, les astronomes pourront peut-être déterminer si les planètes se forment généralement dans des disques de poussière riches en fer à proximité de leurs étoiles mères.

Référence : « Preuve infrarouge moyen de poussières riches en fer dans le disque multianneau interne du HD 144432 » par J. Varga, LBFM Waters, M. Hogerheijde, R. van Boekel, A. Matter, B. Lopez, K. Perraut, L. Chen, D. Nadella, S. Wolf, C. Dominik, Á. Cosbal, B. Abraham, J.-C. Augereau, P. Polly, J. Bordarot, A. Carati ou Jarati, F. Cruz Saenz de Mira, W.C. Danchi, V. Gamez Rosas, Th. Henning, K.-H. Hoffmann, M. Holley, J.W. Isbell, W. Jaffé, T. Juhasz, V. Kekskemethy, J. Cobos, E. Kokulina, L. Labadie, F. Léco, F. Mellor, A. Moore, N. Morugao, E. Pantin, D. Schertel, M. Schick, L. Van Haester, J. Weigelt, J. Wells et B. Woytek, 8 janvier 2024, Astronomie et astrophysique.
est ce que je: 10.1051/0004-6361/202347535

Les chercheurs du MPIA impliqués dans cette étude sont : Roy van Boekel, Marten Scheuck, Thomas Henning, Jacob W. Isbell, Ágnes Kóspál (également Centre de recherche HUN-REN pour l'astronomie et les sciences de la Terre, Observatoire Konkoli, Budapest, Hongrie). [Konkoly]; CSFK, Centre d'excellence MTA, Budapest, Hongrie [CSFK]; ELTE Université Eötvös Loránd, Budapest, Hongrie [ELTE]), Alessio Carati ou Garatti (également INAF-Osservatorio Astronomico di Capodimonte, Naples, Italie).

Les autres actionnaires sont : J. Varga (Concoli ; CSFK ; Observatoire de Leiden, Pays-Bas). [Leiden]), LBFM Waters (Université Radboud, Nijmegen, Pays-Bas ; SRON, Leiden, Pays-Bas), M. Hogerheijde (Leiden ; Université d'Amsterdam, Pays-Bas) [UVA]), une. Mater (Observatoire de la Côte d'Azur/CNRS, Nice, France [OCA]), B. López (OCA), K. Pérou (Université Grenoble Alpes/CNRS/IPAG, France [IPAG]), L. Chen (Konkoly ; CSFK), D. Nadella (Leiden), S. Wolf (Université de Kiel, Allemagne [UK]), C. Dominic (UVA), P. Abraham (Konkoli ; CSFK ; ELTE), J.-C. Augereau (IPAG), P. Boley (OCA), G. Bourdarot (Institut Max Planck de physique extraterrestre, Garching, Allemagne), F. Cruz-Saénz de Miera (Konkoly ; CSFK ; Université de Toulouse, France), W. C. Danchi (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, USA), V. Gámez Rosas (Leiden), K.-H. Hoffmann (Institut Max Planck de radioastronomie, Bonn, Allemagne [MPIfR]), M. Houllé (OCA), W. Jaffe (Leiden), T. Juhász (Konkoly ; CSFK ; ELTE), V. Kecskeméthy (ELTE), J. Kobus (UK), E. Kokoulina (Université de Liège, Belgique ; OCA), L. Labadie (Université de Cologne, Allemagne), F. Lykou (Konkoly ; CSFK), F. Millour (OCA), A. Moór (Konkoly ; CSFK), N. Morujão (Universidade de Lisboa et Universidade do Porto, Portugal), E. Pantin (AIM, CEA/CNRS, Gif-sur-Yvette, France), D. Schertl (MPIfR), L. van Haastere (Leiden), G. Weigelt (MPIfR), J. Woillez (Observatoire européen austral, Garching, Allemagne ), P. Woitke (Institut de recherche spatiale, Académie autrichienne des sciences, Graz, Autriche), MATISSE et GRAVITY Collaborations