Planètes indépendantes ! Des planètes géantes forment des systèmes planétaires sans la présence d'une étoile

Les systèmes planétaires se forment à partir de nuages de gaz et de poussière appelés nébuleuses. Lorsque ces nuages s'effondrent sous leur propre gravité, souvent en raison d'une perturbation externe, ils commencent à tourner et à former un disque protoplanétaire autour d’un noyau dense. Ce noyau donne naissance à une étoile, tandis qu’à l’intérieur du disque, les particules entrent en collision, fusionnent, grossissent et finissent par former des planètes.

L’ensemble du processus de formation planétaire prend des millions d’années et résulte d’un enchaînement d’interactions entre gravité, chocs et autres dynamiques internes au disque. L’étoile centrale domine gravitationnellement l’ensemble du système et concentre environ 99 % de toute la masse de ce dernier. La gravité de l’étoile organise les orbites des corps qui l’entourent et interagit également avec la formation et l’évolution de ces systèmes.

Cependant, une nouvelle étude a montré que certaines planètes géantes isolées – c’est-à-dire éloignées de toute étoile – sont en train de former leurs propres systèmes planétaires. Ces planètes errent seules dans l’espace interstellaire et semblent rassembler autour d’elles des disques de matière, semblables aux disques protoplanétaires que l’on observe autour des jeunes étoiles. Cela suggère que des planètes peuvent former de mini-systèmes planétaires.

Effondrement d’un nuage

La formation d’un système planétaire débute par l’effondrement gravitationnel d’une nébuleuse, une immense nuée de gaz et de poussière interstellaire. À mesure que ce nuage s’effondre, il commence à tourner et à s’aplatir en un disque en rotation appelé disque protoplanétaire. Au centre, la majeure partie de la masse se concentre et forme une protoétoile, qui deviendra ensuite une étoile.

Avec le temps, ces planétésimaux fusionnent pour donner naissance à des protoplanètes. Les interactions gravitationnelles entre ces corps façonnent leurs orbites et leurs masses, et ceux qui grossissent suffisamment attirent davantage de matière du disque. Ce processus, qui s’étale sur des millions d’années, donne finalement naissance à un système planétaire, composé de planètes, de lunes, d’astéroïdes et de comètes en orbite autour de la nouvelle étoile. La composition et la position de chaque planète dépendent de la densité et de la température des régions du disque dans lesquelles elles se sont formées.

Formation des planètes géantes

Les planètes géantes gazeuses, comme Jupiter et Saturne, se forment dans les régions les plus éloignées d’un disque planétaire. Cela s’explique par le fait que c’est dans ces zones, plus distantes de l’étoile centrale, que la température est suffisamment basse pour que des composés volatils comme l’eau, le méthane ou l’ammoniac puissent se condenser. Dans ces régions froides, les noyaux planétaires peuvent croître rapidement, atteignant environ dix fois la masse de la Terre, ce qui leur permet ensuite d’attirer d’importantes quantités d’hydrogène et d’hélium pour former les atmosphères des géantes gazeuses.

Ce processus doit avoir lieu avant que le disque de gaz ne se dissipe, ce qui survient généralement en quelques millions d’années. Si le noyau se forme assez rapidement, il parvient à accumuler une atmosphère avant que la matière disponible ne disparaisse. Ainsi, la vitesse de croissance et l’emplacement dans le disque déterminent si une planète gazeuse peut se former ou non. Une fois formées, ces planètes influencent la formation d’autres corps plus petits autour d’elles, comme des lunes ou des anneaux.

Planètes isolées

Les planètes isolées sont des planètes qui errent seules dans l’espace interstellaire, sans orbiter autour d’une étoile. L’une des principales hypothèses concernant leur formation est qu’elles se forment comme des planètes classiques au sein de systèmes planétaires, mais qu’elles finissent par en être éjectées. Ces éjections peuvent se produire à la suite d’interactions gravitationnelles avec d’autres planètes géantes ou avec l’étoile centrale, en particulier dans les systèmes jeunes encore très instables.

Une autre hypothèse est que certaines planètes isolées se forment directement à partir de l’effondrement de nuages de gaz dont la masse est insuffisante pour former une étoile. Dans ce scénario, elles seraient davantage comparables à des « étoiles ratées », comme les naines brunes de faible masse. Des études récentes suggèrent que ces planètes pourraient être plus communes qu’on ne le pensait, et que certaines d’entre elles forment même leurs propres systèmes, avec des lunes ou des disques autour d’elles, même sans étoile à proximité.

Comment les planètes isolées créent-elles leurs propres systèmes ?

Une nouvelle recherche a montré que des planètes géantes et isolées peuvent former leurs propres systèmes planétaires. L’équipe de chercheurs a utilisé les données du télescope James Webb pour étudier des objets isolés dont la masse est comprise entre 5 et 10 fois celle de Jupiter. L’analyse a révélé, chez six d’entre eux, une émission infrarouge excessive — un signal possible de la présence de disques de poussière chaude en orbite.

Ces disques de poussière sont typiques des premières phases de formation planétaire. Les observations ont également révélé la présence de grains de silicate dans ces disques, avec des signes de croissance et de cristallisation des grains. C’est la première fois qu’un tel phénomène est détecté autour d’objets ayant une masse planétaire. Ces résultats confirment que les disques entourant ces planètes isolées peuvent persister pendant des millions d’années — un laps de temps suffisant pour permettre la formation de nouveaux corps planétaires, même en l’absence d’une étoile.

Référence de l'article :

Damian et al. Spectroscopy of Free-Floating Planetary-Mass Objects and their disks with JWST arXiv