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New Frontiers in Modeling Planet-Disk Interactions: from Disk Thermodynamics to Multi-Planet Systems

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Les disques de poussières sont des pouponnière de planètes naissantes

Quand vous contemplez la magie de la voûte céleste par une nuit sans nuage, vous ne pouvez pas voir la myriade de jeunes étoiles qui entretiennent la croissance de nouvelles planètes et de nouveaux systèmes planétaires. Des chercheurs financés par l’UE ont ouvert une nouvelle perspective sur le rôle joué par la poussière cosmique dans ce processus.

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Les disques protoplanétaires sont des disques aplatis de poussières et de gaz en rotation que l’on rencontre autour de presque toutes les étoiles de faible masse peu après leur naissance. Malgré le caractère modeste de ces poussières, il s’agit de la matière première à la base de la constitution de toutes les planètes. Il est donc crucial de comprendre leur rôle dans la formation des planètes. Des scientifiques financés par l’UE et participant au projet DiskTorqueOnPlanets commencent à comprendre le rôle encore bien mal connu que joue la poussière cosmique au niveau de la détermination de l’architecture des systèmes planétaires tels que nous les voyons aujourd’hui.

Interactions entre masse de poussière et planète en formation

Le Pr Martin Pessah, coordinateur du projet, explique: «L’un des processus susceptibles de jouer un rôle important est ce qu’on appelle la migration planétaire, due à l’interaction gravitationnelle mutuelle entre la planète et le disque qui accélère la planète et la fait bouger». Mené avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie, DiskTorqueOnPlanets a entrepris de caractériser les mécanismes impliqués dans la détermination de la vitesse et de la direction de cette migration, en se concentrant sur la poussière du disque protoplanétaire.

L’importance des propriétés de la poussière

Simuler la dynamique de la poussière requiert une puissance de calcul phénoménale en ce qui concerne les modèles détaillés. Pour atteindre cet objectif, l’équipe a exploité la puissance des processeurs graphiques disponibles au Centre de calcul haute performance de l’Université de Copenhague. Le code numérique de pointe FARGO3D, accessible au public et développé par le Dr Pablo Benítez-Llambay, a été étendu d’une façon inédite dans le cadre du projet pour répondre aux problèmes délicats de la dynamique des disques de poussières. L’un des principaux résultats a été la mise au point d’un algorithme numérique robuste permettant de tenir compte de la force de traînée produite entre les particules de gaz et de poussières dans un disque protoplanétaire. Selon le Pr Pessah, «les outils développés dans le cadre de ce projet nous ont permis non seulement de découvrir et d’étudier systématiquement, pour la première fois, les forces gravitationnelles de la composante poussière des disques protoplanétaires, mais aussi d’étendre nos recherches à d’autres questions fondamentales liées à la croissance et à la dynamique des poussières dans ces disques». Les membres du projet ont réussi à démontrer que la dynamique poussière-particule était principalement affectée par le degré de couplage des particules de poussière avec le gaz dans le disque, qui dépend lui-même de la taille des particules. «Nous avons montré que la dynamique de la poussière auto-cohérente incluant plusieurs tailles de particules semble être essentielle non seulement pour comprendre la façon dont les planètes se forment mais aussi la manière dont elles se déplacent au sein du disque», explique le Pr Pessah.

En passe d’étayer des observations inédites

Le grand réseau d’antennes millimétrique-submillimétrique de l’Atacama (ALMA) est le résultat d’une collaboration internationale d’institutions qui ont uni leurs efforts afin de comprendre nos origines cosmiques. Il s’agit de l’observatoire astronomique le plus puissant jamais construit sur Terre. ALMA a permis d’obtenir des images directes de détails inédits du processus de formation des planètes. Les outils de DiskTorqueOnPlanets aideront les scientifiques qui recueillent ces données révolutionnaires à en comprendre le sens et à commencer à avoir un aperçu plus clair des processus qui façonnent les systèmes planétaires. Le Pr Pessah conclut ainsi: «Nous avons construit un cadre de travail pour nous attaquer à la dynamique de la poussière dans des simulations numériques, pour un nombre arbitraire d’espèces de poussière, ce qui ouvre la voie à l’étude d’un large éventail de processus essentiels à notre compréhension de la formation et de l’évolution des planètes. En rendant ces outils accessibles au public, ce projet soutient l’effort scientifique mondial visant à expliquer l’histoire et l’évolution de notre propre système solaire et des autres systèmes exoplanétaires, ailleurs dans l’Univers.»

Mots‑clés

DiskTorqueOnPlanets, poussière, disque, planète, dynamique de la poussière, planétaire, protoplanétaire, outils, étoiles, migration, formation de planète, ALMA, évolution, FARGO3D

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