Une expérience en microgravité lève un obstacle majeur à la formation des planètes

Comment des grains ont pu former des planètes ? © Nasa/JPL-Caltech
Il y a plus de 4,5 milliards d’années, seules des poussières tournaient autour du Soleil. Quelques millions d’années plus tard, elles étaient devenues des planètes. Problème : la physique est formelle, ce n’est pas la gravité qui force ces petits grains de matière à s’agglomérer. Un autre mécanisme a joué, comme vient de le montrer une équipe en Allemagne.

Bien qu’étudiée depuis des décennies, la formation des planètes n’est aujourd’hui pas encore complètement comprise. Dans une étude publiée dans la revue Nature, des chercheurs allemands expliquent avoir récemment pu lever le voile sur un des grands mystères de ce processus complexe. Dans les années 1970, les observations de systèmes planétaires naissants conjuguées à des simulations numériques ont permis aux astronomes d’écrire les grandes lignes de la formation planétaire.

Voici ce scénario : une jeune étoile est entourée d’un disque constitué de poussière et de gaz. Au sein de ce disque protoplanétaire, des phénomènes d’accrétion et de condensation se déroulent : les grains de poussière de taille micrométrique s’entrechoquent et s’assemblent petit à petit, liés par la force électrostatique et l’interaction de Van der Waals. « Ce processus permet aux grains de poussière de grossir, tout en les rendant de plus en plus compacts, à la manière d’une boule de neige que l’on tasserait jusqu’à ce qu’elle devienne de la glace », précise Pierre Barge, du Laboratoire d’astrophysique de Marseille.

Comment franchir la « barrière de rebond » ?

Seulement voilà, arrivés à 1 mm de diamètre, ces grains deviendraient à la fois trop compacts pour se lier les uns aux autres, et pas assez gros pour se fragmenter lors d’un choc. Selon la théorie et les simulations, ils devraient donc rebondir les uns contre les autres comme des billes et ne jamais grossir davantage. Or, cet obstacle baptisé « barrière de rebond » est forcément franchi puisque des planètes semblent se former très souvent autour des étoiles.

C’est ce problème que les physiciens de l’université de Duisbourg-Essen pensent avoir résolu. « Notre intuition était que les grains de taille millimétrique pouvaient tout de même s’agglomérer petit à petit en agrégats, en se liant via la force électrostatique. Seulement, il fallait trouver un moyen de vérifier notre hypothèse », explique Gerhard Wurm. Pour cela, ses collègues et lui ont dû recréer des conditions proches de celles que l’on trouve à l’intérieur d’un disque protoplanétaire. Le principal obstacle à contourner était la force de gravité, qui aurait pu induire un biais dans l’expérience. Les physiciens ont pour cela pu utiliser la tour d’impesanteur de Brême en Allemagne. Celle-ci permet, comme dans un vol parabolique, de simuler l’impesanteur pendant quelques secondes par la chute libre.

Haute de 146 m, la tour de Brême permet de recréer quelques secondes d'impesanteur. © J. Siebert

« Le protocole était le suivant : nous avons utilisé comme analogues aux grains de poussière présents dans le disque protoplanétaire plusieurs milliers de petites billes de verre, quasi identiques, dont la taille variait entre 0,5 à 1 mm de diamètre, décrit Gerhard Wurm. Après avoir vigoureusement secoué le paquet de billes, celles-ci étaient lancées de manière à chuter librement pendant environ 9 secondes. Cela nous a permis, sur un temps très court, de négliger l’effet de la gravité et de tester notre hypothèse. »

Résultat : dans la totalité des cas, les chercheurs ont pu observer à l’aide de caméras haute vitesse la formation d’agglomérats de verre. La seule manière pour les petites billes de se coller les unes aux autres étant par le biais de la force électrostatique, ils en ont déduit que leur hypothèse fonctionnait. Mieux : en appliquant un champ électromagnétique au sein du tube dans lequel tombaient les billes, ils ont pu mesurer la charge de chacune d’entre elles et montrer ainsi que c’était bien la force électrostatique qui était en jeu. Et pour enfoncer définitivement le clou, l’équipe a été jusqu’à réaliser des simulations numériques de leur expérience : « En testant différents paramétrages dans ces modèles, nous avons montré que les agglomérats de verre formés ne pouvaient être stables qu’en présence de charges électriques : les billes ne se lient pas les unes aux autres si l’on retire ce paramètre essentiel. »

Rencontres électriques

Ainsi, la barrière de rebond pourrait bien être contournée à l’aide de la force électrostatique, qui servirait de liant entre les grains de petite taille. « C’est une très belle expérience, et un résultat très fort, qui nous permet de mieux comprendre la formation des planètes, commente Pierre Barge. Néanmoins, les conditions ne sont pas rigoureusement celles que l’on trouve dans un disque protoplanétaire et il serait intéressant de tester d’autres matériaux et configurations, avec par exemple des grains moins homogènes en composition et en taille. »

Des caméras ont filmé l’agglomération des petites billes. © Université de Duisbourg-Essen

Les chercheurs allemands ne se sont d’ailleurs pas fait attendre, puisqu’ils ont dernièrement reproduit leur protocole avec des grains de basalte, qui se rapprochent un peu plus des particules que l’on peut trouver dans le disque protoplanétaire. Résultat : l’expérience fonctionne encore mieux, ce matériau possédant un facteur de charge dix fois supérieur au verre. À l’avenir, l’équipe devrait d’ailleurs continuer sur sa lancée, en tentant toujours plus de conditions et de configurations différentes. « En particulier, nous aimerions retenter l’expérience sur des temps de microgravité plus longs, lors d’un vol parabolique par exemple, ou même, pourquoi pas, à bord de la station spatiale internationale, espère Gerhard Wurm. En parallèle, nous essaierons également d’autres matériaux, avec des géométries et des facteurs de charge divers. »  Grâce à ces recherches, les bébés planètes n’auront peut-être bientôt plus de secret pour les astronomes.

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