Même les étoiles mourantes pourraient donner naissance à de toutes nouvelles planètes, selon une étude

Lorsque de jeunes étoiles fusionnent à partir d’un nuage d’hydrogène moléculaire, un disque de matériau résiduel appelé disque protoplanétaire les entoure. Ce disque est l’endroit où les planètes se forment, et les astronomes s’améliorent pour scruter ces environnements voilés et regarder les mondes embryonnaires prendre forme. Mais les jeunes étoiles ne sont pas les seules étoiles avec des disques de matière première tournant autour d’elles.

Certaines vieilles étoiles mourantes ont aussi des disques. Une deuxième génération de planètes peut-elle se former dans ces conditions ?

Les planètes se forment après la formation des étoiles, mais peu de temps après. Dans notre système solaire, le Soleil s’est formé il y a environ 4,6 milliards d’années et la Terre il y a environ 4,5 milliards d’années. Le destin de la Terre est lié au destin du Soleil.

Lorsque le Soleil se dilate en géante rouge, il expulse des couches de matière dans l’espace et finit par se dilater suffisamment pour détruire la Terre et les autres planètes intérieures. Jupiter et les planètes extérieures survivront, mais elles passeront probablement le reste de leur existence en orbite autour d’une naine blanche, le reste du Soleil.

Aucune nouvelle planète ne peut se former autour de la naine blanche dans ce scénario.

Mais notre Soleil est une rareté relative. De nombreuses étoiles existent en paires binaires. Les étoiles binaires ont le même âge, mais elles ont des masses différentes. Étant donné que la masse initiale d’une étoile détermine son avenir, les étoiles d’une paire binaire ont des durées de vie différentes.

Si l’une de ces étoiles a une masse similaire à celle de notre Soleil, elle devient une géante rouge et expulse de la matière dans l’espace à mesure qu’elle meurt. Qu’arrive-t-il à tout ce matériel si la star a un partenaire binaire ?

C’est là qu’une nouvelle étude entre en scène. Son titre est « Une population de disques de transition autour d’étoiles évoluées : Empreintes digitales de planètes ». Le premier auteur est l’astronome de la KU Leuven Jacques Kluska. La revue Astronomy & Astrophysics a publié l’article.

L’attraction gravitationnelle de la deuxième étoile peut amener le matériau éjecté de l’étoile mourante à former un nouveau disque rotatif très similaire au disque protoplanétaire autour de l’étoile lorsqu’elle était jeune.

Les astronomes savaient déjà que cela pouvait arriver. Ce qui est nouveau, c’est la preuve qu’une deuxième génération de planètes peut se former dans le disque. Selon cette nouvelle étude, de nouveaux mondes forment environ 10% d’étoiles binaires dans cette situation.

“Dans dix pour cent des étoiles binaires évoluées avec des disques que nous avons étudiées, nous voyons une grande cavité dans le disque”, a déclaré le premier auteur Kluska dans un communiqué de presse. “C’est une indication que quelque chose flotte là-bas qui a collecté toute la matière dans la zone de la cavité.”

Il n’y a probablement qu’une seule chose qui puisse se former dans ces disques : des planètes. Les observations de l’étoile mourante renforcent la probabilité que l’objet soit une planète.

“Dans les étoiles binaires évoluées avec une grande cavité dans le disque, nous avons vu que les éléments lourds tels que le fer étaient très rares à la surface de l’étoile mourante”, a déclaré Kluska. “Cette observation conduit à soupçonner que des particules de poussière riches en ces éléments ont été piégées par une planète.”

Les astronomes ne savent pas encore s’il s’agit de planètes, mais les preuves sont intrigantes. S’il s’avère qu’une deuxième génération de mondes se forme ainsi, c’est une découverte significative. Cela signifie que notre théorie de la formation planétaire, appelée l’hypothèse nébulaire, est correcte mais ne va pas assez loin.

“La confirmation ou la réfutation de cette voie extraordinaire de formation des planètes sera un test sans précédent pour les théories actuelles”, selon le professeur Hans Van Winckel, directeur de l’Institut d’astronomie de la KU Leuven.

(N. Stecki)

Ci-dessus : une illustration d’un système d’étoiles binaires où une deuxième génération de planètes est en train de se former.

Ces disques ne peuvent se former que dans certaines circonstances et avec certains types d’étoiles. Il nécessite des étoiles géantes post-asymptotiques (post-AGB). Les étoiles post-AGB sont des étoiles froides et lumineuses dans une phase d’évolution stellaire que traversent des étoiles comme notre Soleil. La gamme de masse des étoiles post-AGB est d’environ 0,8 à 5 masses solaires.

Les étoiles post-AGB ont épuisé leur réserve d’hydrogène. Le noyau de l’étoile est principalement constitué de carbone inerte et d’oxygène, mais sa couche externe se dilate et se refroidit. L’étoile devient une géante rouge. Ensuite, le changement de température au cœur de l’étoile déclenche la fusion de l’hélium.

La fusion retarde le refroidissement et l’expansion de l’étoile pendant un certain temps, mais finalement, l’hélium s’épuise également. Puis le refroidissement et la détente continuent.

L’étoile n’est pas encore terminée. Il subit des impulsions thermiques et fusionne un peu plus d’hydrogène, et subit des éclairs d’hélium.

Mais l’étoile a perdu beaucoup de sa masse en se déversant dans l’espace. S’il a un partenaire binaire, le matériel ne va pas loin. La paire binaire aura un centre de gravité et le matériau éjecté formera un disque circumbinaire autour du centre.

Cela n’arrive pas toujours. Une phase d’évolution binaire en spirale commune et dramatique amène l’étoile partenaire à accréter le matériau de l’étoile mourante. Mais pour une raison que les astronomes ne comprennent pas encore, un disque circumbinaire peut se former à la place. C’est ce qui s’est passé dans 10 % des fichiers binaires de cette étude.

Ces disques post-AGB ne durent pas très longtemps, seulement entre 10 000 et 100 000 ans. Est-ce assez long pour qu’une planète géante se forme ?

Les astronomes n’avaient pas l’habitude de le penser. Mais des recherches plus récentes suggèrent que les planètes peuvent se former en seulement 100 000 ans. Une étude de 2018 a examiné les lacunes dans les disques et a déclaré que “… si les planètes creusent effectivement ces lacunes, les planètes de masse de Saturne doivent se former dans le premier ~ 0,5 Myr de la durée de vie des disques protoplanétaires.”

Mais les auteurs de cette étude disent que même si la cavité du disque provient d’une planète, cette planète n’est pas nécessairement une planète de deuxième génération.

“Cependant, il semble plus plausible que si les disques de transition étaient produits par une planète, ce serait une planète de première génération qui aurait survécu à la phase d’interaction binaire”, écrivent-ils. “En effet, il semble que les planètes circumbinaires soient aussi fréquentes que les planètes autour d’étoiles uniques, malgré le nombre relativement faible de détections.”

Cette conclusion correspond également à certaines des propriétés observées de l’étoile mourante dans le système. Comme l’a souligné l’auteur principal Jacques Kluska, “… nous avons vu que les éléments lourds tels que le fer étaient très rares à la surface de l’étoile mourante.”

Qu’est-il arrivé au fer ? La planète survivante de première génération aurait pu l’accumuler, mais seulement s’il s’agissait d’une planète géante. “Si une telle planète est présente dès le départ dans le disque, elle appauvrira efficacement le disque interne en matériau réfractaire et produira le schéma d’appauvrissement observé à la surface de l’étoile”, écrivent les auteurs dans leur article.

Les astronomes connaissent déjà un système binaire où des planètes secondaires se sont probablement formées. Il s’appelle NN Serpentis et plusieurs chercheurs y ont trouvé des planètes.

“Ces planètes sont candidates pour avoir été formées dans de tels disques de deuxième génération”, écrivent Kluska et ses co-auteurs. “Si le scénario planétaire est confirmé, ces disques deviendraient un site prometteur pour étudier la formation des planètes de deuxième génération et, par conséquent, les scénarios de formation des planètes dans un espace paramétrique sans précédent.”

Les auteurs ont l’intention d’étudier les dix disques qui présentent des cavités. Ils prévoient d’utiliser les grands télescopes de l’Observatoire européen austral au Chili pour les étudier de plus près.

Cet article a été initialement publié par Universe Today. Lire l’article d’origine.

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