Comment les fines poussières s’assemblent-elles pour former des éléments de base à partir desquels se forment finalement des planètes entières comme notre Terre ? Une équipe de recherche dirigée par l’Université de Berne a apporté la première preuve expérimentale, lors de vols paraboliques en apesanteur, qu’un processus physique important - appelé instabilité des courants de cisaillement - se produit dans des conditions telles que celles qui règnent dans les régions où se forment les planètes. L’étude comble ainsi une lacune importante dans notre compréhension des toutes premières étapes de la formation planétaire. L’ETH Zurich, l’Université de Zurich et le Pôle de recherche national (NCCR) PlanetS sont impliqués dans cette étude.
Les planètes se forment dans ce que l’on appelle les disques protoplanétaires - d’énormes disques de gaz et de poussière qui tournent autour de très jeunes étoiles. Différents processus physiques se déroulent sur le chemin qui mène des grains de poussière les plus fins à des planètes entièrement formées. D’une part, de minuscules particules de poussière entrent en collision et s’agglomèrent de manière électrostatique jusqu’à ce qu’elles atteignent une taille de quelques millimètres. D’autre part, des planétésimaux, c’est-à-dire des corps rocheux ou glacés dont la taille varie de quelques centaines de mètres à quelques kilomètres, entrent en collision, fusionnent et s’agglomèrent. Ceux-ci grandissent lentement pour devenir des planètes rocheuses ou glacées, les plus rapides à grandir finissant par accumuler du gaz et devenir des géantes gazeuses. Pour les morceaux de roche de quelques centimètres à une centaine de mètres, la plupart des scénarios de formation planétaire se heurtent à une sorte de ’barrière’. Leur croissance est empêchée, car dans cette gamme de taille, les grumeaux ont tendance à s’entrechoquer, à se briser ou même à s’évaporer lors des collisions s’ils dérivent trop près de leur étoile. Cette barrière est une énigme pour la science depuis des décennies.
Depuis le début du millénaire, des modèles théoriques ont postulé un mécanisme supplémentaire qui pourrait combler cette lacune. Comme le mélange de gaz et de poussière dans les disques protoplanétaires se comporte comme un liquide, différentes instabilités hydrodynamiques peuvent s’y développer. Celles-ci conduisent à l’agglomération de la poussière en nuages plus denses, dont les plus gros deviennent finalement des planétésimaux. Chacune de ces instabilités se produit dans des conditions spécifiques et dans différentes régions du disque et peut l’affecter de différentes manières. L’une de ces instabilités, dont on pense qu’elle joue un rôle essentiel, est l’instabilité de cisaillement. Elle se produit à l’interface entre deux liquides ayant des propriétés différentes - dans ce cas, une vitesse et une densité différentes. Cependant, il n’a jamais été démontré expérimentalement si de telles instabilités de cisaillement se produisent réellement dans les conditions de gaz extrêmement minces des disques protoplanétaires. Sous la direction de Holly L. Capelo, du Département de recherche spatiale et de planétologie de l’Institut de physique de l’Université de Berne, une équipe de chercheurs a démontré que des instabilités de cisaillement peuvent se former, même dans un gaz extrêmement ténu. La preuve a été apportée à l’aide d’une expérience unique en son genre, qui exploite les conditions de microgravité lors de vols paraboliques, également appelés vols zéro G.
Vol d’une expérience en apesanteur
Les instabilités de cisaillement peuvent, selon les conditions, favoriser ou entraver l’agglomération des poussières en planétésimaux. Pour les étudier, l’équipe a commencé en 2020 à développer l’expérience TEMPus-VoLA, au c½ur de laquelle se trouve un instrument unique. Financé par le NCCR PlanetS et le Swiss Space Office, il a été conçu et construit à l’Université de Berne en collaboration avec l’Université de Zurich et l’EPFZ. L’instrument est équipé de caméras à grande vitesse qui suivent le comportement des particules de poussière dans un gaz extrêmement mince dans des conditions de vide. Il a été spécialement conçu pour les vols paraboliques, qui offrent une microgravité. ’Sur Terre, la gravité influence le comportement de la poussière et du gaz’, explique Lucio Mayer de l’Université de Zurich. ce n’est que dans des conditions simulant l’absence de gravité que nous pouvons étudier un régime d’écoulement extrêmement raréfié, semblable aux disques de gaz et de poussière qui tournent autour des jeunes étoiles." Lors des vols paraboliques, un avion spécialement adapté suit une trajectoire sur laquelle il monte et descend de manière répétée à un angle d’environ 45 degrés. Chaque phase de plongée offre environ 20 secondes d’apesanteur, tandis que la phase de montée simule une gravité plus forte que sur Terre. Au cours de plusieurs campagnes de vol menées par le Space Hub de l’UZH et l’Agence spatiale européenne (ESA), l’équipe a systématiquement affiné et fait varier les conditions de l’expérience afin de tester le moment où le courant de cisaillement se déclenche. nous avons donc recréé les conditions qui règnent dans les régions de formation des planètes des disques protoplanétaires et nous avons pu montrer que cette instabilité du flux de cisaillement proposée théoriquement n’est pas seulement une construction mathématique, mais qu’elle peut réellement se produire’, explique Capelo.
Cependant, les vols paraboliques n’offrent que de très courtes périodes d’apesanteur. dès que l’instabilité commence, nous constatons que des modèles caractéristiques se forment dans l’écoulement du matériau. La durée limitée de l’apesanteur nous empêche toutefois de suivre l’évolution de ces structures vers une turbulence pleinement développée’, explique Capelo. L’équipe travaille donc à une version plus avancée de l’expérience pour une utilisation sur une station spatiale comme la Station spatiale internationale (ISS). Cela permettrait d’étudier la formation et l’évolution de la turbulence sur des périodes beaucoup plus longues en apesanteur - une autre pièce importante du puzzle dans la compréhension de la formation des planètes.
Vers les origines du système solaire
Pour comprendre comment les systèmes planétaires se forment, la recherche a recours à différentes approches. Les télescopes modernes permettent d’observer des disques protoplanétaires en orbite autour d’une étoile, et la comparaison de disques d’âges différents permet de déterminer leurs propriétés et leur évolution. Du côté théorique, des simulations informatiques décrivent mathématiquement et physiquement l’évolution des disques et la formation des planètes. Cependant, aucune de ces simulations n’est en mesure d’étudier les disques avec une résolution suffisamment élevée pour faire apparaître les plus petites structures qu’ils contiennent. ’Dans notre système solaire, les comètes et les astéroïdes témoignent des premières phases de notre système et fournissent des indications sur la composition et la structure des planétésimaux, mais nous ne pouvons pas encore étudier directement leur développement précoce’, explique Antoine Pommerol de l’Université de Berne. seules les expériences peuvent combler cette lacune et révéler les détails cruciaux du mouvement de la poussière et du gaz à des échelles spatiales et temporelles si petites qu’elles ne peuvent pas être observées directement. La nouvelle expérience ne fournit pas seulement une confirmation directe qu’un phénomène théorisé depuis longtemps peut se produire dans des conditions de type disque protoplanétaire, elle contribuera également à améliorer les modèles théoriques et à affiner les simulations. cela nous aidera à mieux comprendre l’ensemble de la formation des systèmes planétaires et, en fin de compte, à expliquer comment notre système solaire et la Terre elle-même se sont formés à partir d’un nuage de poussière et de gaz il y a des milliards d’années", a déclaré Capelo.
Les fruits de la collaboration nationale en Suisse
’Mener une expérience aussi révolutionnaire a été un grand défi’, explique Capelo. Alors que le PRN PlanetS a financé le développement initial du projet, chaque institution participante a contribué au projet avec son expertise unique : de la capacité de l’Université de Berne à construire des instruments à l’expertise de l’Université de Zurich en matière de théorie de la formation des planètes, en passant par l’expérience de l’EPFZ dans l’observation et l’analyse en laboratoire des petits corps du système solaire.
L’expertise du UZH Space Hub, des programmes ESA/PRODEX et de Novespace dans la préparation et la réalisation de vols paraboliques a également constitué un élément important du projet. ’Dans l’ensemble, la capacité des institutions suisses à unir efficacement leurs forces et à collaborer étroitement sur ce projet a conduit à son remarquable succès et à des percées dans l’étude de la physique fondamentale de la formation des planètes. Ces résultats ouvrent la voie, nous l’espérons, à l’observation de tels mécanismes dans le cosmos’, conclut Capelo.
