Une étude sur les naines blanches « polluées » révèle que les étoiles et les planètes grandissent ensemble

Une étude de certaines des étoiles les plus anciennes de l’univers suggère que les éléments constitutifs de planètes comme Jupiter et Saturne commencent à se former à mesure que la jeune étoile grandit. On pensait que les planètes ne se formaient qu’une fois qu’une étoile avait atteint sa taille finale, mais les nouvelles découvertes ont été publiées dans la revue astronomie naturellesuggère que les étoiles et les planètes « grandissent » ensemble.

La recherche, dirigée par l’Université de Cambridge, modifie notre compréhension de la façon dont les systèmes planétaires, y compris notre propre système solaire, se forment, résolvant potentiellement un casse-tête majeur en astronomie.

« Nous avons une assez bonne idée de la façon dont les planètes se forment, mais l’une des principales questions que nous nous posions est de savoir quand elles se forment : la formation des planètes commence-t-elle tôt, lorsque l’étoile mère est encore en croissance, ou des millions d’années plus tard ? » a déclaré le Dr Amy Bonsor du Cambridge Astronomy Institute, premier auteur de l’étude.

Pour tenter de répondre à cette question, Bonsor et ses collègues ont étudié les atmosphères des étoiles naines blanches – les anciens restes faibles d’étoiles comme notre Soleil – pour enquêter sur les éléments constitutifs de la formation des planètes. L’étude comprenait également des chercheurs de l’Université d’Oxford, de l’Université Ludwig Maximilian de Munich, de l’Université de Groningue et de l’Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire, à Göttingen.

« Certaines naines blanches sont des laboratoires étonnants, car leurs atmosphères minces ressemblent presque à des cimetières célestes », a déclaré Bonsor.

Habituellement, l’intérieur des planètes est hors de portée des télescopes. Mais une classe spéciale de naines blanches – appelées systèmes « pollués » – contient des éléments lourds tels que le magnésium, le fer et le calcium dans leurs atmosphères généralement pures.

Ces éléments doivent provenir de petits corps tels que des astéroïdes laissés par la formation des planètes, qui sont entrés en collision avec des naines blanches et ont brûlé dans leurs atmosphères. En conséquence, les observations spectroscopiques de naines blanches contaminées peuvent sonder les intérieurs brisés de ces astéroïdes, donnant aux astronomes un aperçu direct des conditions dans lesquelles ils se sont formés.

On pense que la formation des planètes commence dans un disque protoplanétaire – composé principalement d’hydrogène, d’hélium et de minuscules particules de glace et de poussière – en orbite autour d’une jeune étoile. Selon la théorie dominante actuelle sur la formation des planètes, les particules de poussière se collent les unes aux autres, formant finalement des corps solides de plus en plus gros. Certains de ces grands corps continueront à fusionner, devenant des planètes, et certains resteront sous forme d’astéroïdes, comme ceux qui sont entrés en collision avec des naines blanches dans l’étude actuelle.

Les chercheurs ont analysé les observations spectrales des atmosphères de 200 naines blanches polluées des galaxies voisines. Selon leur analyse, le mélange d’éléments observés dans les atmosphères de ces naines blanches ne peut s’expliquer que si plusieurs des astéroïdes d’origine ont fondu en même temps, provoquant l’enfoncement du fer lourd dans le noyau tandis que des éléments plus légers flottent à la surface. Ce processus, connu sous le nom de différenciation, est ce qui a amené la Terre à avoir un noyau riche en fer.

« La cause de la fonte ne peut être attribuée qu’à des éléments radioactifs à très courte durée de vie, qui étaient présents dans les premiers stades du système planétaire mais se désintègrent en seulement un million d’années », a déclaré Bonsor. « En d’autres termes, si ces astéroïdes ont été fondus par quelque chose qui n’existait que très brièvement à l’aube du système planétaire, le processus de formation de la planète aurait dû commencer très rapidement. »

L’étude indique que l’image de la formation initiale est probablement correcte, ce qui signifie que Jupiter et Saturne ont tout le temps de grandir pour atteindre leur taille actuelle.

« Notre étude complète le consensus croissant dans le domaine selon lequel la formation des planètes a commencé tôt, les premiers objets se formant en conjonction avec l’étoile », a déclaré Bonsor. Les analyses de naines blanches contaminées nous apprennent que ce processus de fusion radiative est un mécanisme potentiellement omniprésent influençant la formation de toutes les exoplanètes.

« Ce n’est que le début – chaque fois que nous trouvons une nouvelle naine blanche, nous pouvons recueillir plus de preuves et en savoir plus sur la formation des planètes. Nous pouvons suivre des éléments comme le nickel et le chrome et déterminer la taille de l’astéroïde lorsqu’il s’est formé. Il a un noyau de fer. C’est incroyable que nous soyons capables d’explorer de tels processus dans les systèmes exoplanétaires. »

Amy Bonsor est chercheuse à la Royal Society de l’Université de Cambridge. La recherche a été financée en partie par la Royal Society, la Simons Foundation et le Conseil européen de la recherche.