Les “bosses de pression” dans le disque protoplanétaire du soleil expliquent de nombreuses caractéristiques du système solaire

“Dans le système solaire, quelque chose s’est passé pour empêcher la Terre de se développer pour devenir un type de planète terrestre beaucoup plus grand appelé une super-Terre”, a déclaré l’astrophysicien de l’Université Rice André Izidoro, faisant référence aux planètes rocheuses massives vues autour d’au moins 30% de étoiles semblables au soleil dans notre galaxie.

Izidoro et ses collègues ont utilisé un supercalculateur pour simuler la formation du système solaire des centaines de fois. Leur modèle, qui est décrit dans une étude publiée en ligne dans Nature Astronomy, a produit des anneaux comme ceux observés autour de nombreuses jeunes étoiles lointaines. Il a également reproduit fidèlement plusieurs caractéristiques du système solaire manquées par de nombreux modèles précédents, notamment :

• Une ceinture d’astéroïdes entre Mars et Jupiter contenant des objets du système solaire interne et externe.
• Les emplacements et les orbites stables et presque circulaires de la Terre, de Mars, de Vénus et de Mercure.
• Les masses des planètes intérieures, dont Mars, que de nombreux modèles du système solaire surestiment.
• La dichotomie entre la composition chimique des objets du système solaire interne et externe.
• Une région de la ceinture de Kuiper de comètes, d’astéroïdes et de petits corps au-delà de l’orbite de Neptune.

L’étude menée par des astronomes, des astrophysiciens et des scientifiques planétaires de Rice, de l’Université de Bordeaux, du Southwest Research Institute à Boulder, au Colorado, et de l’Institut Max Planck d’astronomie à Heidelberg, en Allemagne, s’appuie sur les dernières recherches astronomiques sur les systèmes stellaires infantiles.

Leur modèle suppose que trois bandes de haute pression sont apparues dans le disque de gaz et de poussière du jeune soleil. De telles “bosses de pression” ont été observées dans des disques stellaires annelés autour d’étoiles lointaines, et l’étude explique comment les bosses de pression et les anneaux pourraient expliquer l’architecture du système solaire, a déclaré l’auteur principal Izidoro, un chercheur postdoctoral de Rice qui a obtenu son doctorat. formation à l’Université d’État de Sao Paulo au Brésil.

“Si les super-Terres sont super-communes, pourquoi n’en avons-nous pas une dans le système solaire ?” dit Izidoro. “Nous proposons que les bosses de pression produisent des réservoirs déconnectés de matériau de disque dans le système solaire interne et externe et régulent la quantité de matériau disponible pour faire pousser des planètes dans le système solaire interne.”

Bosses de pression

Pendant des décennies, les scientifiques ont cru que le gaz et la poussière dans les disques protoplanétaires devenaient progressivement moins denses, diminuant progressivement en fonction de la distance à l’étoile. Mais les simulations informatiques montrent que les planètes sont peu susceptibles de se former dans des scénarios de disque lisse.

“Dans un disque lisse, toutes les particules solides – grains de poussière ou rochers – devraient être attirées vers l’intérieur très rapidement et perdues dans l’étoile”, a déclaré l’astronome et co-auteur de l’étude Andrea Isella, professeur agrégé de physique et d’astronomie à Rice. “Il faut quelque chose pour les arrêter afin de leur donner le temps de devenir des planètes.”

Lorsque les particules se déplacent plus vite que le gaz qui les entoure, elles “sentent un vent contraire et dérivent très rapidement vers l’étoile”, a expliqué Izidoro. Aux bosses de pression, la pression du gaz augmente, les molécules de gaz se déplacent plus rapidement et les particules solides cessent de ressentir le vent contraire. “C’est ce qui permet aux particules de poussière de s’accumuler aux bosses de pression”, a-t-il déclaré.

Isella a déclaré que les astronomes ont observé des bosses de pression et des anneaux de disques protoplanétaires avec le Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ou ALMA, un énorme radiotélescope à 66 plats qui a été mis en ligne au Chili en 2013.

“ALMA est capable de prendre des images très nettes de jeunes systèmes planétaires qui sont encore en formation, et nous avons découvert que de nombreux disques protoplanétaires de ces systèmes sont caractérisés par des anneaux”, a déclaré Isella. “L’effet de la bosse de pression est qu’il collecte les particules de poussière, et c’est pourquoi nous voyons des anneaux. Ces anneaux sont des régions où vous avez plus de particules de poussière que dans les espaces entre les anneaux.”

Anneau

Le modèle d’Izidoro et de ses collègues supposait que des bosses de pression se formaient dans le système solaire primitif à trois endroits où les particules tombant vers le soleil auraient libéré de grandes quantités de gaz vaporisé.

“C’est juste une fonction de la distance par rapport à l’étoile, car la température augmente à mesure que vous vous rapprochez de l’étoile”, a déclaré le géochimiste et co-auteur de l’étude Rajdeep Dasgupta, professeur Maurice Ewing de science des systèmes terrestres à Rice. “Le point où la température est suffisamment élevée pour que la glace se vaporise, par exemple, est une ligne de sublimation que nous appelons la ligne de neige.”

Dans les simulations de Rice, les bosses de pression au niveau des lignes de sublimation du silicate, de l’eau et du monoxyde de carbone ont produit trois anneaux distincts. À la ligne de silicate, l’ingrédient de base du sable et du verre, le dioxyde de silicium, est devenu de la vapeur. Cela a produit l’anneau le plus proche du soleil, où Mercure, Vénus, la Terre et Mars se formeraient plus tard. L’anneau du milieu est apparu à la ligne de neige et l’anneau le plus éloigné à la ligne de monoxyde de carbone.

Anneaux naissance planétésimaux et planètes

Les disques protoplanétaires se refroidissent avec l’âge, de sorte que les lignes de sublimation auraient migré vers le soleil. L’étude a montré que ce processus pouvait permettre à la poussière de s’accumuler dans des objets de la taille d’un astéroïde appelés planétésimaux, qui pourraient ensuite se rassembler pour former des planètes. Izidoro a déclaré que des études antérieures supposaient que des planétésimaux pourraient se former si la poussière était suffisamment concentrée, mais aucun modèle n’offrait une explication théorique convaincante de la façon dont la poussière pourrait s’accumuler.

“Notre modèle montre que les bosses de pression peuvent concentrer la poussière et que les bosses de pression en mouvement peuvent agir comme des usines planétésimales”, a déclaré Izidoro. “Nous simulons la formation de planètes en commençant par des grains de poussière et en couvrant de nombreuses étapes différentes, des petits grains millimétriques aux planétésimaux, puis aux planètes.”

Prise en compte des signatures cosmochimiques, de la masse de Mars et de la ceinture d’astéroïdes

De nombreuses simulations précédentes du système solaire ont produit des versions de Mars jusqu’à 10 fois plus massives que la Terre. Le modèle prédit correctement que Mars a environ 10% de la masse de la Terre parce que “Mars est née dans une région de faible masse du disque”, a déclaré Izidoro.

Dasgupta a déclaré que le modèle fournit également une explication convaincante de deux des mystères cosmochimiques du système solaire : la différence marquée entre les compositions chimiques des objets du système solaire interne et externe, et la présence de chacun de ces objets dans la ceinture d’astéroïdes entre Mars et Jupiter.

Les simulations d’Izidoro ont montré que l’anneau central pouvait expliquer la dichotomie chimique en empêchant le matériau du système externe de pénétrer dans le système interne. Les simulations ont également produit la ceinture d’astéroïdes à son emplacement correct et ont montré qu’elle était alimentée par des objets des régions intérieure et extérieure.

“Le type de météorites le plus courant que nous recevons de la ceinture d’astéroïdes est isotopiquement similaire à Mars”, a déclaré Dasgupta. “André explique pourquoi Mars et ces météorites ordinaires devraient avoir une composition similaire. Il a fourni une réponse nuancée à cette question.”

Synchronisation des chocs de pression et super-Terres

Izidoro a déclaré que l’apparition retardée de l’anneau central du soleil dans certaines simulations a conduit à la formation de super-Terres, ce qui souligne l’importance de la synchronisation des bosses de pression.

“Au moment où la bosse de pression s’est formée dans ces cas, beaucoup de masse avait déjà envahi le système interne et était disponible pour créer des super-Terres”, a-t-il déclaré. “Ainsi, le moment où cette bosse de pression moyenne s’est formée pourrait être un aspect clé du système solaire.”

Izidoro est un associé de recherche postdoctoral au Département des sciences de la Terre, de l’environnement et des planètes de Rice. Les co-auteurs supplémentaires incluent Sean Raymond de l’Université de Bordeaux, Rogerio Deienno du Southwest Research Institute et Bertram Bitsch de l’Institut Max Planck d’astronomie. La recherche a été soutenue par la NASA (80NSSC18K0828, 80NSSC21K0387), le Conseil européen de la recherche (757448-PAMDORA), l’Agence fédérale brésilienne pour le soutien et l’évaluation de l’enseignement supérieur (88887.310463/2018-00), la Fondation Welch (C-2035) et Programme National de Planétologie du Centre National de la Recherche Scientifique.