dynamique des disques protoplanétaires

Dans le nuage dense de gaz et de poussière où naissent les étoiles massives, deux jeunes étoiles se sont récemment frôlées de très près. Leur danse ne dure qu'une soixantaine d'années, et pour la première fois, les astronomes en ont observé les détails.

Un filament de la toile cosmique s'étire à travers l'Univers jeune, et le long de celui-ci, comme des perles sur un collier, sont enfilées des galaxies. Au cœur du protocluster SSA22, qui deviendra dans des milliards d'années le centre d'un amas massif, ces perles sont encore brûlantes et poussiéreuses : en leur sein naissent des étoiles, et le gaz froid sert de carburant.

Un tourbillon dans un disque magnétique se comporte généralement comme une grande toupie : pour qu'il ne bascule pas, il faut une plateforme spacieuse et un fort champ propre qui le ramène au centre. Mais que se passe-t-il si l'on réduit la plateforme à la taille d'un virus ? L'appui habituel disparaît et le tourbillon devrait se désagréger.

Dans les recoins les plus froids et les plus sombres du cosmos, les grains de poussière se couvrent de glace, comme une vitre par un jour de gel. Cette glace n'est pas seulement de l'eau gelée : il y a aussi du monoxyde de carbone et du dioxyde de carbone.

Dans la cuisine sombre du nuage moléculaire du Taureau, à 450 années-lumière de nous, des dizaines de systèmes planétaires sont en préparation.

Après l'explosion d'une supernova, il reste au centre une boule dense de la taille d'une ville : une étoile à neutrons naissante. Elle est chaude, comprimée, et vibre comme une cloche après un coup.

La naissance d'une lune est un accident cosmique. Deux jeunes planètes entrent en collision, et un nuage de débris incandescents se met à tourbillonner autour du monde survivant. De ce disque, comme de l'argile sur un tour de potier, un satellite se façonne avec le temps. C'est probablement ainsi qu'est née notre Lune.

Dans la fournaise de la formation stellaire, la température atteint 900 degrés — comme dans un haut-fourneau incandescent. C'est dans cette chaleur extrême que naissent les cristaux cosmiques.

Une pierre tombe dans une eau calme — et des anneaux réguliers se propagent à la surface. Si la pierre ne tombe pas seulement, mais tourne aussi, de petites vortex apparaissent à la surface — des tourbillons. La lumière sait faire de même, sauf qu'à la place de l'eau, ce sont l'espace et le temps eux-mêmes.

Soixante-douze disques d'accrétion — des cocons tourbillonnants de gaz et de poussière cosmique — ont été scrutés par l'instrument MIRI à bord du James Webb. La plupart d'entre eux libèrent des flux dans l'espace : des structures coniques denses et de fines gerbes à grande vitesse.

Deux villes ont subi une série d'incendies. Dans l'une, le vent disperse les cendres bien au-delà des faubourgs, et le ciel reste clair. Dans l'autre, les cendres retombent en un voile épais, teintant les couchers de soleil de pourpre.

Dans un même système stellaire, deux équipes de planètes gravitent. Les unes suivent des orbites régulières, comme des patineurs sur une patinoire, évitant les collisions. Les autres se regroupent, leurs trajectoires se croisent, et tôt ou tard, un accident cosmique se produit — un impact géant.

Un petit compagnon, tel un nageur, fend les couches invisibles de gaz dans l'enveloppe gonflée d'une géante rouge. Chaque orbite excite un sillage acoustique — des ondes de compression qui traversent le plasma.

Parmi les exoplanètes incandescentes qui tournent dangereusement près de leur étoile se cache un mystère de naissance. Il y a près de trois décennies, Michel Mayor et Didier Queloz ont découvert le premier de ces mondes, et depuis, les astronomes se demandent : comment une géante gazeuse peut-elle se…

Autour de certaines jeunes étoiles, où la formation stellaire vient tout juste de s'achever, ne tournent pas de simples anneaux de poussière, mais de véritables champs de bataille planétaires : les disques de débris extrêmes.

Tel un mécanisme d'horlogerie des plus délicats, un système multi-planètes réagit avec sensibilité à la moindre secousse.

À deux millions d'années-lumière de nous, autour de la jeune étoile CI Tau, tourbillonne un disque de gaz et de poussière — un berceau protoplanétaire.

La planète WASP-121 b n'est pas qu'une boule chaude. C'est un monde où le fer s'évapore et où le ciel brille de sa propre chaleur. Un nouveau regard sur elle a permis de comprendre de quels « ingrédients » elle est faite.

Une planète rocheuse incandescente ressemble à une casserole de soupe bouillante, sauf que son couvercle est l'atmosphère. Les gaz s'échappent du magma, enveloppent le monde d'une couverture dense et influencent eux-mêmes la vitesse à laquelle le corps céleste se refroidit.

On secoue vigoureusement une casserole de soupe bouillante — le liquide clapote, les vagues battent contre les parois. C'est à peu près ce qui se passe à l'intérieur d'une planète gazeuse lorsqu'elle passe près de son étoile sur une orbite allongée. La gravité de l'étoile excite de puissantes ondes internes dans la planète — on les appelle modes fondamentaux de marée.

Une épaisse soupe refroidit lentement dans une casserole. Soudain, le feu en dessous s'embrase, et la soupe se met à bouillonner, se décomposant en une multitude de petits tourbillons.

Dans la construction du Système solaire, comme dans un menu de dégustation gastronomique, la recette n'est pas toujours fixée à l'avance — parfois, le dernier ingrédient est ajouté alors que le plat est déjà sur le feu.

Une casserole de bouillie bouillante, où au lieu de grains se trouvent des couches d'oxygène et de silicium, et où le feu en dessous est sur le point de s'éteindre, l'étoile s'effondrant sur elle-même.

Une étoile massive s'effondre et naît un trou noir entouré d'un disque de plasma surchauffé. Pour que des jets étroits s'échappent de ce disque, il faut un champ magnétique ordonné. Mais à l'intérieur de l'étoile, il est enchevêtré.

Une toupie qui tourne tout en oscillant légèrement : c'est à peu près ainsi que les astronomes imaginent l'étoile à neutrons du système binaire Hercule X-1. Elle effectue une rotation complète sur elle-même en une seconde, mais son axe décrit lentement un cône avec une période de 35 jours.

La planète WASP-121 b est toujours tournée vers son étoile du même côté, comme une pierre dans un feu de camp. Son côté diurne est chauffé à un point tel que l'hydrogène ordinaire — celui qui compose la majeure partie de l'Univers — n'y résiste pas : ses molécules se brisent en atomes isolés, et la température y est inversée : plus on monte, plus il fait chaud.

Dans la couronne solaire surchauffée, où la température dépasse le million de degrés, flottent des nuages froids et denses : les protubérances solaires. Elles restent suspendues pendant des semaines, sans tomber ni se dissoudre, comme des icebergs dans un océan bouillant. Comment sont-elles arrivées là ?

L'étoile à neutrons est une toupie de la masse du Soleil, compressée à la taille d'une ville. Elle naît dans le feu d'une supernova et, en temps normal, ne fait que ralentir sa rotation. Mais parfois, sans raison apparente, elle accélère soudainement – un à-coup que l'on appelle un glitch.

Dans une casserole d'eau bouillante, les bulles de vapeur remontent et éclatent. Dans le monde quantique d'un fluide superfluide, les bulles se comportent différemment : elles peuvent entrer en collision et engendrer des vortex — de minuscules tourbillons, semblables à des remous dans une rivière.

Dans un disque de gaz et de poussière autour d'une jeune étoile, les particules de poussière se comportent comme des grains de sable dans un courant d'eau : le gaz s'écoule plus vite, la poussière reste en arrière, et une friction apparaît entre eux. Cette friction peut faire osciller les ondes magnétiques qui parcourent le disque.

Dans les nuages froids de gaz interstellaire s'étirent de longs filaments denses. À l'intérieur, comme dans des incubateurs surpeuplés, mûrissent les futures étoiles.

Les jeunes systèmes planétaires ressemblent à un orchestre qui vient de commencer une répétition : tous les musiciens s'efforcent de jouer au même rythme.

Le lithium est comme un thermomètre plongé dans les entrailles d'une étoile. Cet élément léger se détruit à une température d'environ 2,5 millions de degrés, si bien que sa quantité en surface révèle à quel point la matière stellaire a été mélangée en profondeur.

Le télescope James Webb scrute de plus en plus souvent les exoplanètes — ces mondes qui orbitent autour d'étoiles lointaines. Certaines sont des boules de roche brûlantes, toujours tournées vers leur étoile d'un même côté. Là-bas, la roche fond et forme des océans de lave liquide. Comment cette lave se déplace-t-elle ?

La jeune étoile HL Tau est entourée d'un disque de gaz et de poussière, berceau des futures planètes. À l'intérieur de ce disque, le gaz ne reste pas en place : il tourne, mais en tremblant et en se mélangeant, comme l'eau d'une rivière en crue. Des astronomes ont pour la première fois mesuré directement l'intensité de ce brassage.

Dans les confins froids du système solaire, l'eau est considérée comme le principal matériau de construction des glaces. Mais chez certaines comètes et certains corps glacés lointains, le rapport entre le monoxyde de carbone (CO) et l'eau est anormalement élevé — comme si une glace contenait soudain trop de sirop. D'où vient ce déséquilibre ?

Dans les nuages de gaz froid où naissent les étoiles géantes, tout est en effervescence. Le gaz se comprime, tourbillonne, se fragmente en amas – les futures étoiles. On a longtemps pensé que le champ magnétique y mettait de l'ordre : comme des fils invisibles, il étirait les amas perpendiculairement à lui-même.

Les planètes naissent de la poussière. Dans le disque qui entoure une jeune étoile, d'infimes grains de poussière se heurtent, s'agglutinent et grossissent peu à peu, comme une boule de neige qui dévale une pente.

Dans le disque protoplanétaire – le nuage de gaz et de poussière qui entoure une jeune étoile – les grains de poussière ne se contentent pas de tourner en rond. Ils sont entraînés par le flux de gaz, comme le sable par le vent, et ils modifient eux-mêmes ce flux.

Les grains de poussière dans le disque autour d'une jeune étoile s'agglutinent, grossissent et deviendront un jour des planètes. Mais pour savoir combien de matière première pour les planètes se trouve dans chaque disque, il faut mesurer sa masse et sa taille. On ne peut pas peser directement un nuage lointain — il faut se fier au rayonnement de la poussière.