Un chaînon manquant dans les albums de famille planétaires
« Nous avons souvent vu des images de la formation des planètes à leurs débuts, mais jusqu'à présent, la phase d'adolescence constituait un chaînon manquant », explique Meredith Hughes, professeure agrégée d'astronomie à l'université Wesleyan de Middletown, dans le Connecticut, aux États-Unis, et co-chercheuse principale de cette étude.
« Les disques de débris représentent la phase dominée par les collisions du processus de formation planétaire », explique Thomas Henning, scientifique du MPIA (Institut Max Planck d'astronomie) et co-responsable du projet ARKS.
« Grâce à ALMA, nous sommes en mesure de caractériser les structures des disques qui indiquent la présence de planètes. Parallèlement, grâce à l'imagerie directe et aux études de vitesse radiale, nous recherchons de jeunes planètes dans ces systèmes. »
L'équivalent de cette phase dans notre système solaire est la ceinture de Kuiper , un anneau de débris glacés au-delà de Neptune qui conserve la trace de collisions massives et de migrations planétaires datant de milliards d'années. En étudiant 24 ceintures de débris exoplanétaires, l'équipe ARKS a ouvert une fenêtre sur ce qu'a connu notre système solaire lors de la formation de la Lune et lorsque les planètes se disputaient leurs places définitives, et parfois même échangeaient leurs orbites !
Disques pour adolescents : difficiles à « photographier », impossibles à ignorer
Les disques de débris sont peu lumineux, des centaines voire des milliers de fois moins brillants que les disques riches en gaz où se forment les planètes. L'équipe ARKS a surmonté ces difficultés et a produit des images de ces disques d'une précision sans précédent.
Tels des adolescents esquivant l'objectif, ces disques ténus sont restés longtemps invisibles aux astronomes. Mais grâce à ALMA, ces derniers peuvent désormais observer leurs structures complexes : des ceintures à anneaux multiples , de larges halos uniformes, des contours nets, et même des arcs et des amas inattendus.
Cependant, ALMA, avec ses dizaines de radiotélescopes individuels, ne prend pas d'images au sens classique du terme. Il collecte plutôt les signaux radio émis par les particules de poussière et les molécules, qui doivent ensuite être traités et corrélés. Chaque télescope contribue à l'image finale, synthétisée à partir du flux d'ondes radio.
« Nous observons une réelle diversité – non seulement de simples anneaux, mais aussi des ceintures à anneaux multiples, des halos et de fortes asymétries, révélant un chapitre dynamique et violent de l'histoire planétaire », ajoute Sebastián Marino, responsable du programme ARKS et professeur associé à l'Université d'Exeter, au Royaume-Uni.
Points forts et nouveautés d'ARKS
- Une nouvelle référence : ARKS est le plus vaste relevé de disques de débris, avec la plus haute résolution, comparable à un « DSHARP pour disques de débris », établissant une nouvelle norme d'excellence.
- Une jeunesse dynamique et violente : environ un tiers des disques observés présentent des sous-structures claires (anneaux multiples ou lacunes distinctes), suggérant des caractéristiques héritées d’étapes antérieures de formation planétaire ou sculptées par les planètes sur des échelles de temps beaucoup plus longues.
- Une diversité inattendue : tandis que certains disques héritent de structures complexes de leurs premières années, d’autres s’adoucissent et s’étendent en larges bandes, à l’image de ce à quoi nous nous attendons quant au développement du système solaire.
- Indices de « brassage » planétaire : De nombreux disques présentent des signes de zones de calme et de chaos, avec des régions verticalement « gonflées », semblables au mélange, dans notre système solaire, d'objets sereins de la ceinture de Kuiper classique et d'objets dispersés par la migration ancienne de Neptune.
- Des survivants gazeux surprenants : plusieurs disques conservent du gaz bien plus longtemps que prévu. Dans certains systèmes, ce gaz persistant peut influencer la composition chimique des planètes en formation, voire repousser la poussière vers de vastes halos.
- Asymétries et arcs : De nombreux disques sont asymétriques, avec des arcs brillants ou des formes excentriques, suggérant des poussées gravitationnelles de planètes invisibles, des cicatrices de naissance résiduelles de la migration planétaire ou des interactions entre le gaz et la poussière.
- Diffusion publique des données : Toutes les observations et données traitées d’ARKS sont mises gratuitement à la disposition des astronomes du monde entier, permettant ainsi de nouvelles découvertes.
Les résultats d'ARKS montrent que cette phase adolescente est une période de transition et de bouleversements. « Ces disques témoignent d'une période où les orbites planétaires étaient bouleversées et où d'énormes impacts, comme celui qui a forgé la Lune, façonnaient les jeunes systèmes solaires », explique Luca Matrà, co-responsable de l'étude et professeur associé au Trinity College de Dublin, en Irlande.
En étudiant des dizaines de disques orbitant autour d'étoiles d'âges et de types différents, ARKS a permis de déterminer si les structures chaotiques sont héritées, sculptées par les planètes ou résultent d'autres forces cosmiques. Répondre à ces questions pourrait révéler si l'histoire de notre système solaire est unique ou la norme.
Perspectives d'avenir : À la recherche des architectes planétaires
Les résultats du programme ARKS constituent une mine d'or pour les astronomes à la recherche de jeunes planètes et qui cherchent à comprendre comment les familles de planètes, comme la nôtre, se forment et se réorganisent.
« Ce projet nous offre une nouvelle perspective pour interpréter les cratères lunaires, la dynamique de la ceinture de Kuiper et la croissance des planètes, grandes et petites. C'est comme ajouter les pages manquantes à l'album de famille du système solaire », ajoute Hughes.
Détails de la publication : S. Marino et al. Le relevé ALMA pour la résolution des sous-structures de la ceinture de Kuiper (ARKS) — I : Motivation, échantillon, réduction des données et aperçu des résultats. Astronomy & Astrophysics (2026). DOI : 10.1051/0004-6361/202556489. www.mpg.de/26005548/arks_part_…verview_preprint.pdf
Par la Société Max Planck
Édité par Sadie Harley, revu par Robert Egan
Fourni par la Société Max Planck
