Le mystère des JuMBO, ces mondes errants qui défient les théories astronomiques

Au cours des dernières décennies, la recherche sur les exoplanètes (planètes en orbite autour d’étoiles autres que le Soleil) a connu des progrès rapides, et fils miles les systèmes planétaires confirmés à ce jour. À tel point que les efforts de la communauté se concentrent déjà sur la recherche d’exoplanètes similaires à la Terre dans la zone habitable de leurs étoiles, où pourraient exister de l’eau liquide et des conditions propices à la vie.

Cependant, avant d’atteindre cet objectif ambitieux, de nombreuses inconnues restent encore à révéler sur la façon dont les systèmes planétaires se forment et évoluent.

Des grains de poussière aux planètes

La grande variété d’exoplanètes découvertes suggère que leurs mécanismes de formation peut varier considérablement. La théorie la plus acceptée est qu’ils naissent dans les disques protoplanétaires qui entourent les étoiles lors de leur formation, composés principalement de gaz et de poussières.

La plupart des modèles suggèrent que les grains de poussière présents dans le disque se rassemblent et se développent lors de collisions, formant de petits noyaux planétaires. Une fois formés, ces germes de nouveaux mondes commencent à accumuler du gaz et de la poussière à partir du disque, alors qu’ils tournent autour de l’étoile, jusqu’à former une planète. En particulier, l’accrétion de grandes quantités de gaz est essentielle à la formation de géantes gazeuses comme Jupiter.

D’autres modèles suggèrent qu’il est également possible qu’une fragmentation des disques protoplanétaires se produise et que ces morceaux puissent s’effondrer directement en planètes.

De plus, quel que soit leur mécanisme de formation, les planètes peuvent subir une migration sur leurs orbites en raison d’interactions gravitationnelles avec d’autres planètes ou avec le disque protoplanétaire. Ce déplacement peut influencer l’architecture finale du système, voire conduire à l’expulsion d’une ou plusieurs planètes, libérées de l’attraction gravitationnelle de leur étoile et devenues des objets circulant librement dans l’espace interstellaire. Ce sont ce qu’on appelle les objets flottants de masse planétaire (ou PMO, pour son acronyme en anglais).

Cible : Amas de trapèze

Les objets substellaires (qui ne deviennent pas des étoiles) en dessous de la limite de fusion de l’hydrogène et du deutérium (environ 13 fois la masse de Jupiter) ne génèrent jamais de réactions nucléaires et se refroidissent rapidement, devenant plus faibles à mesure qu’ils vieillissent. Cependant, lorsqu’ils sont jeunes, ils restent relativement lumineux et faciles à détecter car ils libèrent de l’énergie gravitationnelle lors de leur contraction.

Pour cette raison, les régions proches de la Terre où se forment les étoiles offrent la meilleure opportunité d’identifier les PMO. Compte tenu de sa densité de population, de son jeune âge et de sa proximité avec le Soleil, l’amas du Trapèze (au centre de la nébuleuse d’Orion) constitue un laboratoire idéal pour étudier la naissance des étoiles et des planètes.

Des télescopes tels que Hubble ont permis aux astronomes d’étudier l’origine et la formation des PMO, ainsi que la composition et les propriétés de leur atmosphère. En étudiant leur emplacement dans l’espace et leurs relations avec les étoiles et d’autres objets, les astronomes peuvent obtenir des indices sur la façon dont ils se sont formés. Jusqu’à récemment, les PMO les plus modestes avaient entre 3 et 5 fois la masse de Jupiter, proche de la limite de masse théorique minimale pour pouvoir expliquer leur formation par le mécanisme de fragmentation et d’effondrement de nuages ​​de gaz et de poussières (c’est-à-dire la même mécanisme par lequel les étoiles se forment).

La découverte des JuMBO

Aujourd’hui, les énormes capacités de détection du télescope spatial James Webb ont révolutionné la capacité d’étudier ces objets. Dans un projet de cartographie de la nébuleuse d’Orion et de l’amas du Trapèze, Les astronomes de l’ESA ont découvert 540 nouveaux PMO. Ses plus petites masses équivaut à la moitié de celle de Jupiter, ce qui rend très difficile l’explication de la formation d’objets isolés de si faible masse.

Plus intéressant encore est le fait que 9 % de ces corps célestes, baptisés JuMBO (objets binaires de masse similaire à Jupiter), font partie de grands systèmes binaires. Autrement dit, ils sont liés gravitationnellement les uns aux autres.

L’existence des JuMBO remet en question les théories actuelles sur la formation des étoiles et des planètes. En particulier, la fraction de multiplicité, définie comme la proportion d’étoiles qui ont au moins un compagnon, a tendance à diminuer avec la masse. Autrement dit, les étoiles plus massives se forment beaucoup plus souvent dans des systèmes binaires ou multiples que les étoiles moins massives. Cependant, il semble que cette tendance soit inversée de manière inattendue par les JuMBO qui se situent à l’extrémité inférieure de la fourchette de masse.

Un nouveau dispositif de formation ?

Ces propriétés suggèrent que de nouveaux mécanismes de formation doivent entrer en jeu. Si les JuMBO sont apparus à travers un processus « semblable à une étoile », à travers l’effondrement gravitationnel d’un nuage de gaz et de poussière, alors il doit y avoir un processus physique encore non identifié qui encourage la création de tels objets de faible masse.

Mais peut-être sont-ils nés selon un processus « semblable à celui d’une planète », dans un disque autour d’une étoile hôte, et ont-ils été violemment éjectés. Ces événements peuvent être provoqués par des interactions dynamiques entre étoiles, relativement courantes dans les régions denses de formation d’étoiles telles que l’amas du Trapèze. Cependant, la manière dont ces jeunes planètes peuvent être éjectées par paires et rester liées gravitationnellement reste difficile à expliquer par les modèles théoriques dont nous disposons.

Comprendre la quantité et la répartition des PMO et JuMBO observés par le télescope James Webb dans le Trapezium Cluster soulève un nouveau mystère, qui semble suggérer la possibilité d’un mélange de plusieurs scénarios. Ou peut-être que cela nécessite même l’existence d’un nouveau mécanisme de formation des planètes.