Des poussières aux planètes : une histoire turbulente
Comment une fine poussière peut-elle s’agglomérer afin de former les briques élémentaires formant des planètes entières ? Une équipe de scientifiques des Universités de Berne, de Zurich et de l’ETH Zurich, initiée dans le cadre du Pôle de Recherche Nationale (PRN) PlanetS, a effectué la première démonstration expérimentale – à l’aide de vols paraboliques en apesanteur – que le processus-clé d’instabilité de cisaillement est susceptible de se produire durant la formation planétaire. L’étude comble une lacune importante dans notre compréhension des premières étapes de la formation planétaire.
Les planètes se forment au sein de disques protoplanétaires, de larges disques de gaz et de poussière orbitant autour de très jeunes étoiles. Des plus petits grains de poussière aux planètes entièrement formées, de multiples phénomènes physiques entrent en jeu. En premier lieu, les poussières commencent à rentrer en collision et s’agglutinent les unes aux autres par électro-statisme, grandissant jusqu’à quelques millimètres de diamètre. Pour finir, les planétésimaux – des corps célestes rocheux ou glacés ayant une taille comprise entre quelques centaines de mètres et quelques kilomètres – entrent en collision, s’agrègent les uns aux autres et fusionnent, grossissant lentement jusqu’à devenir des planètes rocheuses ou glacées, voire gazeuses pour les plus rapides d’entre elles qui parviennent à accréter le gaz du disque. Entre les deux cependant – de quelques centimètres à quelques centaines de mètres – la plupart des scénarios de formation planétaire se trouvent confrontés à une « barrière » empêchant les planétésimaux de s’accroître davantage. Entre ces deux limites, les amas ont plutôt tendance à rebondir les uns sur les autres, à se détruire mutuellement pendant les collisions, ou encore à s’évaporer lorsqu’ils migrent trop proches de leur étoile. Cette barrière a dérouté les scientifiques des décennies durant.
Depuis le début du siècle cependant, les modèles théoriques suggèrent un mécanisme physique à même de combler le trou dans notre compréhension de la formation planétaire. Le mélange de gaz et poussière du disque se comportant comme un fluide, divers types d’instabilités hydrodynamiques sont susceptibles de s’y développer, et d’y provoquer un agglutinement des poussières en nuages localement plus épais, permettant pour les plus grands de former des planétésimaux. Les différentes sortes d’instabilités se produisent dans des conditions spécifiques et donc dans différentes régions du disque, ce qui peut l’influencer de plusieurs manières. L’une des instabilités, suspectée de jouer un rôle essentiel, est celle dite de cisaillement, qui se produit à l’interface entre deux fluides aux propriétés différentes – principalement la vitesse et la densité dans ce cas-ci. Cela dit, que ces instabilités de cisaillement puissent réellement se produire, ou non, dans les conditions semblables au gaz extrêmement ténu des disques protoplanétaires, n’avait jamais était démontré expérimentalement. À l’aide d’une expérience unique en son genre, utilisant la microgravité permise par les vols paraboliques ou « 0g », une équipe dirigée par Holly Capelo, chercheuse dans la Division de la Recherche Spatiale et des Sciences Planétaires à l’Institut de Physique de l’Université de Berne, a désormais montré expérimentalement qu’il est bel et bien possible de développer des instabilités de cisaillement dans un gaz extrêmement ténu. Cette étude vient d’être publiée dans le journal Communications Physics.
Dr. Holly Capelo, directrice de l’expérience TEMPus VoLA.
Une expérience en apesanteur
Afin d’étudier ces instabilités de cisaillement qui peuvent tout autant, selon les conditions exactes, favoriser qu’handicaper l’agrégation de poussières en planétésimaux, l’équipe de Holly Capelo a commencé à développer l’expérience TEMPus VoLA en 2020, un dispositif expérimental unique en son genre. Financé par le PRN PlanetS et le Swiss Space Office, il a été conçu et assemblé à l’Université de Berne, en collaboration avec l’Université de Zurich et l’ETH Zurich. L’instrument est équipé de caméras haute vitesse permettant de suivre le comportant des particules de poussières dans un gaz à très faible pression. Il a été construit spécifiquement pour pouvoir effectuer des vols paraboliques : un type de vol particulier qui simule la microgravité. « Sur Terre, la gravité influence le comportement du gaz et de la poussière », explique Lucio Mayer, professeur à l’Université de Zurich, qui continue « Seules des conditions simulant l’absence de gravité nous permettent d’explorer un régime hydrodynamique semblable aux disques de poussière et de gaz en orbite autour des jeunes étoiles ». Durant les vols paraboliques, un avion spécialement adapté pour ces manœuvres suit une trajectoire pendant laquelle il alterne des montées et descentes à 45 degrés de manière répétée. Chaque phase de descente provoque une vingtaine de seconde d’apesanteur, tandis que les phases de montée simulent au contraire une gravité plus forte que sur Terre. Au cours de plusieurs campagnes de vols organisées par l’UZH Space Hub et l’Agence Spatiale Européenne (ESA), l’équipe a successivement raffiné et varié les conditions de l’expérience afin de tester quand l’instabilité de cisaillement se déclenche. « En résumé, nous avons recréé les conditions survenant dans diverses régions des disques proto-planétaires, et nous avons réussi à montrer que l’instabilité de cisaillement suggérée par la théorie n’est pas qu’une simple supposition mathématique mais bel et bien un phénomène physique possible dans la réalité », explique Holly Capelo.
Cependant, les vols paraboliques n’offrent que des phases très courtes d’apesanteur. « Une fois que l’instabilité se déclenche, nous avons constaté le développement de motif caractéristiques au sein du mélange de gaz et de poussière. Malheureusement, le temps restreint de microgravité nous empêche d’observer si et comment ces motifs évoluent en turbulences », détaille l’astrophysicienne. L’équipe s’emploie donc désormais à développer une nouvelle version de l’expérience à déployer dans une station spatiale telle que la Station Spatiale Internationale (ISS). Là, la microgravité permanente permettrait aux turbulences de se développer pleinement et d’être observées, ajoutant encore une nouvelle pièce essentielle au puzzle de la formation planétaire.
Rendu CAO de l’instrument TEMPus VoLA. Il comprend trois expériences distinctes. La longue chambre horizontale située à l’arrière de l’appareil sert à observer une instabilité granulaire de la force de cisaillement.
Aux origines du système solaire
Pour comprendre la formation des systèmes planétaires, les planétologues utilisent une panoplie d’éléments. Les télescopes modernes ont la capacité d’observer des disques proto-planétaires en orbite autour de leur étoile, de déterminer leur contenu en poussière et en gaz, et en comparant des disques d’âges différents, d’en comprendre l’évolution globale. Pour les aspects théoriques, les simulations sur ordinateur décrivent mathématiquement et physiquement l’évolution des disques et la formation planétaire. Aucun de ces outils cependant, n’a pour l’instant la capacité d’étudier les disques avec la résolution nécessaire pour y distinguer les structures les plus petites. « Dans notre système solaire, les comètes et les astéroïdes sont des témoins des premiers instants de l’accrétion des solides, et ils nous fournissent donc des indices précieux sur la structure et la composition des planétésimaux, mais nous ne comprenons pas pleinement leur évolution initiale, » explique Antoine Pommerol, chercheur à l’Université de Bern. « Seules les expériences permettent de combler ces lacunes dans nos connaissances et de révéler des détails cruciaux du mouvement des gaz et poussières à des échelles d’espace et de temps tellement petites que l’on ne peut plus en retrouver la trace ». Cette nouvelle expérience fournie donc non seulement une confirmation qu’un phénomène théorisé depuis longtemps est possible dans les conditions proto-planétaires, mais va aussi permettre d’améliorer les modèles théoriques et de raffiner les simulations qui en découlent. « In fine, cela nous permettra de mieux comprendre l’ensemble de la formation planétaire, et comment notre propre système solaire, et la Terre elle-même, se sont formés il y a 4,5 milliards d’années à partir d’un simple nuage de gaz et de poussière », indique Holly Capelo.
Le fruit d’une collaboration nationale suisse
« Donner vie à une telle expérience pionnière n’a pas été de tout repos », confie Holly Capelo. Si le PRN PlanetS a financé le développement initial du projet, chaque institution participante a contribué une expertise unique à celui-ci : de la maîtrise du développement instrumental à l’Université de Berne, aux connaissances en théorie de formation planétaire de l’Université de Zurich, en passant par l’expérience de l’ETH Zurich pour les observations et l’analyse en laboratoire des petits corps du système solaire.
L’expertise de l’UZH Space Hub, des programmes ESA/PRODEX et de Novespace pour la préparation et la réalisation de vols paraboliques a également été l’une des clés du succès de ce projet. « C’est la capacité des institutions suisses à joindre leurs forces et à collaborer étroitement et efficacement sur ce projet qui ont conduit à son remarquable succès et à cette percée dans notre étude des mécanismes fondamentaux de la formation planétaire, Ces résultats sont la première étape avant d’observer un jour, je l’espère, ce mécanisme à l’œuvre dans le cosmos, » conclue Holly Capelo.
Détails de la publication :
Capelo, H.L., Bodénan, JD., Jutzi, M. et al., « Experimental evidence for granular shear-flow instability in the Epstein regime », in: Communications Physics
DOI: 10.1038/s42005-026-02531-9
https://www.nature.com/articles/s42005-026-02531-9
