Les astronomes détectent les signes d’une atmosphère arrachée à une planète lors d’un impact géant

De tels écrasements planétaires sont probablement courants dans les jeunes systèmes solaires, mais ils n’ont pas été directement observés.

Les jeunes systèmes planétaires éprouvent généralement des douleurs de croissance extrêmes, car les corps des nourrissons entrent en collision et fusionnent pour former des planètes de plus en plus grandes. Dans notre propre système solaire, on pense que la Terre et la Lune sont des produits de ce type d’impact géant.

Les astronomes supposent que de tels écrasements devraient être courants dans les premiers systèmes, mais ils ont été difficiles à observer autour d’autres étoiles.

Aujourd’hui, des astronomes du MIT, de l’Université nationale d’Irlande de Galway, de l’Université de Cambridge et d’ailleurs ont découvert des preuves d’un impact géant qui s’est produit dans un système stellaire voisin, à seulement 95 années-lumière de la Terre. L’étoile, nommée HD 172555, a environ 23 millions d’années, et les scientifiques soupçonnent que sa poussière porte des traces d’une récente collision.

L’équipe dirigée par le MIT a observé de nouvelles preuves d’un impact géant autour de l’étoile. Ils ont déterminé que la collision s’était probablement produite entre une planète terrestre à peu près de la taille de la Terre et un impacteur plus petit il y a au moins 200 000 ans, à des vitesses de 10 kilomètres par seconde, soit plus de 22 000 miles par heure.

Surtout, ils ont détecté du gaz indiquant qu’un impact à si grande vitesse a probablement emporté une partie de l’atmosphère de la plus grande planète – un événement dramatique qui expliquerait le gaz et la poussière observés autour de l’étoile. Les conclusions, figurant dans La nature, représentent la première détection de ce type.

« C’est la première fois que nous détectons ce phénomène, celui d’une atmosphère protoplanétaire dénudée lors d’un impact géant », déclare l’auteur principal Tajana Schneiderman, étudiante diplômée du Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes du MIT. « Tout le monde est intéressé à observer un impact géant parce que nous nous attendons à ce qu’il soit commun, mais nous n’avons pas de preuves dans beaucoup de systèmes pour cela. Nous avons maintenant un aperçu supplémentaire de ces dynamiques.

Un signal clair

L’étoile HD 172555 a été un objet d’intrigue parmi les astronomes en raison de la composition inhabituelle de sa poussière. Les observations de ces dernières années ont montré que la poussière de l’étoile contient de grandes quantités de minéraux inhabituels, dans des grains beaucoup plus fins que ce que les astronomes pourraient attendre d’un disque de débris stellaire typique.

« En raison de ces deux facteurs, le HD 172555 a été considéré comme ce système étrange », explique Schneiderman.

Elle et ses collègues se sont demandé ce que le gaz pourrait révéler sur l’historique d’impact du système. Ils se sont tournés vers les données prises par ALMA, l’Atacama Large Millimeter Array au Chili, qui comprend 66 radiotélescopes, dont l’espacement peut être ajusté pour augmenter ou diminuer la résolution de leurs images. L’équipe a examiné les données des archives publiques d’ALMA, à la recherche de signes de monoxyde de carbone autour des étoiles proches.

« Lorsque les gens veulent étudier le gaz dans les disques de débris, le monoxyde de carbone est généralement le plus brillant, et donc le plus facile à trouver », explique Schneiderman. « Donc, nous avons examiné à nouveau les données sur le monoxyde de carbone pour HD 172555 parce que c’était un système intéressant. »

À la suite

Avec une réanalyse minutieuse, l’équipe a pu détecter du monoxyde de carbone autour de l’étoile. Lorsqu’ils ont mesuré son abondance, ils ont découvert que le gaz représentait 20 % du monoxyde de carbone présent dans l’atmosphère de Vénus. Ils ont également observé que le gaz tournait en grandes quantités, étonnamment près de l’étoile, à environ 10 unités astronomiques, soit 10 fois la distance entre la Terre et le soleil.

« La présence de monoxyde de carbone aussi proche nécessite quelques explications », explique Schneiderman.

C’est parce que le monoxyde de carbone est généralement vulnérable à la photodissociation, un processus dans lequel les photons d’une étoile se décomposent et détruisent la molécule. À courte distance, il y aurait généralement très peu de monoxyde de carbone si près d’une étoile. Ainsi, le groupe a testé différents scénarios pour expliquer l’aspect abondant et rapproché du gaz.

Ils ont rapidement exclu un scénario dans lequel le gaz proviendrait des débris d’une étoile nouvellement formée, ainsi qu’un scénario dans lequel le gaz était produit par une ceinture rapprochée d’astéroïdes glacés. Ils ont également envisagé un scénario dans lequel le gaz était émis par de nombreuses comètes glacées provenant d’une ceinture d’astéroïdes lointaine, similaire à notre propre ceinture de Kuiper. Mais les données ne correspondaient pas tout à fait à ce scénario non plus. Le dernier scénario envisagé par l’équipe était que le gaz était un vestige d’un impact géant.

« De tous les scénarios, c’est le seul qui peut expliquer toutes les caractéristiques des données », explique Schneiderman. « Dans les systèmes de cet âge, nous nous attendons à ce qu’il y ait des impacts géants, et nous nous attendons à ce que les impacts géants soient vraiment assez courants. Les échelles de temps s’arrangent, l’âge s’arrange, et les contraintes morphologiques et compositionnelles s’arrangent. Le seul processus plausible qui pourrait produire du monoxyde de carbone dans ce système dans ce contexte est un impact géant. »

L’équipe estime que le gaz a été libéré par un impact géant qui s’est produit il y a au moins 200 000 ans, suffisamment récent pour que l’étoile n’ait pas eu le temps de détruire complètement le gaz. Sur la base de l’abondance du gaz, l’impact était probablement massif, impliquant deux proto-planètes, probablement de taille comparable à la Terre. L’impact était si grand qu’il a probablement soufflé une partie de l’atmosphère d’une planète, sous la forme du gaz que l’équipe a observé aujourd’hui.

« Il existe désormais une possibilité de travaux futurs au-delà de ce système », déclare Schneiderman. « Nous montrons que, si vous trouvez du monoxyde de carbone dans un endroit et une morphologie compatibles avec un impact géant, cela offre une nouvelle voie pour rechercher des impacts géants et comprendre comment les débris se comportent après coup. »

« Ce qui est particulièrement excitant à propos de ce travail, à mon avis, c’est qu’il démontre l’importance de la perte atmosphérique due aux impacts géants », déclare Hilke Schlichting, professeur en sciences de la Terre, de la planète et de l’espace à l’Université de Californie à Los Angeles, qui n’a pas participé à la recherche. « Cela ouvre également la possibilité d’étudier la composition des atmosphères des planètes extra-solaires subissant des impacts géants, ce qui pourrait finalement aider à faire la lumière sur les conditions atmosphériques des planètes terrestres pendant leur propre phase d’impact géant. »

Écrit par Jennifer Chu

La source: Massachusetts Institute of Technology