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Des milliers de planètes autour de trous noirs supermassifs?

Des milliers de planètes autour de trous noirs supermassifs?


Hubble, ALMA et d’autres télescopes nous ont montré au cours des dernières décennies des images extraordinaires de disques protoplanétaires entourant de jeunes étoiles. Les astronomes sont convaincus que ces disques de poussière et de gaz sont les incubateurs à partir desquels se forment les planètes. Il est difficile d’obtenir des preuves directes de la formation de la planète, car c’est un processus qui dure des millions d’années. Mais de nombreuses études et simulations hydrodynamiques ont mis en évidence, du moins dans leurs aspects généraux, les mécanismes d’agrégation qui conduisent de petits grains de poussière à la formation de planétésimaux, puis de protoplanètes et, enfin, de planètes réelles.

L’élément commun des théories sur la formation des planètes est que le disques protoplanétaires qui donnent lieu à des planètes sont formées par des matériaux résiduels - poussière et gaz - laissés par la formation des étoiles autour desquels les disques eux-mêmes orbite. De plus, le fait qu'il existe entre plus de 4 000 planètes extrasolaires découvertes jusqu'à présent, dont presque toutes font partie de systèmes formés par une ou plusieurs étoiles [1].

Le disque protoplanétaire entourant la jeune étoile HL Tauri, reproduit avec une incroyable précision par l’interféromètre ALMA. Les rainures concentriques peuvent avoir été creusées par des planètes naissantes [ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)]

Cependant, rien n’exclut, du moins théoriquement, que des planètes puissent également se former au sein de autre disques de poussière et de gaz, pas nécessairement reliés à une étoile, dans la mesure où ces disques offrent des conditions favorables à la lente agrégation de particules qui, au cours de millions d'années, conduit à la naissance de planètes. Nous devons donc nous demander: existe-t-il des disques de gaz et de poussière qui ne pas en orbite autour d’une étoile et sont, dans une certaine mesure, similaires aux disques protoplanétaires courants? La réponse est oui: ce sont les disques d'accrétion qui gravitent autour trous noirs et fournir à ces monstres célestes voraces le matériel dont ils se nourrissent.

En particulier, supermassif les trous noirs, ceux qui vivent au centre de la plupart des galaxies, y compris la Voie Lactée, sont des candidats potentiels pour accueillir des populations entières de planètes dans leurs énormes disques d'accrétion. Au moins c'est la conclusion tirée par la première étude [2] se consacre à l'exploration de la possibilité fascinante que la formation d'une planète puisse avoir lieu même dans un environnement à première vue hautement inhospitalier, comme celui qui entoure des trous noirs de plusieurs millions de masse solaire.

Pour comprendre les résultats obtenus par les trois auteurs japonais de cet article, il est d'abord nécessaire de comprendre comment le disque d'accrétion autour d'un trou noir supermassif (ou SMBH pour faire court) est faite. La structure est illustrée schématiquement dans le graphique suivant.

Le cercle noir avec l’étiquette «SMBH» indique la position du trou noir supermassif. De la région centrale du disque d'accrétion émet une très haute luminosité, émise principalement dans les bandes des rayons ultraviolets et X. Rsub est le rayon de sublimation de la poussière, Rsnow est la ligne de neige. La formation de la planète peut avoir lieu dans une région du tore de poussière qui s’étend de la couche de neige jusqu’à environ 10 pc (parsec) du trou noir. [Keiichi Wada et al 2019 ApJ 886 107]

Les trous noirs sont des objets terriblement massifs et compacts, sources d'une attraction gravitationnelle si intense que même la lumière, une fois capturée, ne peut s'échapper vers l'extérieur. L’immense gravité exercée par les SBMH situés au centre de la plupart des galaxies accélère vers eux les grandes masses de gaz interstellaire, qui ne se retrouvent que partiellement dans le trou noir. Une grande partie du gaz reste en orbite autour de la SMBH et tourne à mesure que l’on approche de sa limite, appelée horizon des événements.

À proximité immédiate d'une SMBH, des collisions de particules chauffent le gaz à des milliards de degrés. C'est un environnement infernal, qui produit un extraordinaire luminosité Dans l'ordre de 10¹² luminosités solaires (c.-à-d. des milliers de milliards de fois l'énergie émise chaque seconde par le Soleil).

Dans cette zone, qui peut s’étendre sur plusieurs unités astronomiques [3] en fonction de la masse du trou noir, la formation planétaire est impossible. La température est si élevée que la poussière, élément de base de la fabrication des planètes, ne peut pas se former (les granules se subliment généralement à des températures voisines de 1500 K). Cette région la plus interne du disque d’accrétion est une sorte de très efficace moteur naturel, qui émet des flux de rayonnement, principalement dans les bandes de rayons X et ultraviolets. C’est précisément ce rayonnement, avec ses signatures spectroscopiques particulières, qui identifie le soi-disant noyaux galactiques actifs, ou AGN, découvert au centre de nombreuses galaxies, y compris les galaxies de Seyfert de type I et de type II.

Mais, à quelques parsecs [4] de la distance de la SMBH, la température tombe en dessous du point de sublimation de la poussière, donnant lieu à un environnement dynamique et turbulent, agité par des masses de gaz présentes à la fois sous forme atomique et moléculaire. Au fur et à mesure que la distance au trou noir central augmente, la température diminue, ce qui favorise la formation d'un gaz moléculaire relativement froid, poussiéreux, dense et compact torus. En éloignant un peu plus de parsecs du rayon de sublimation de la poussière, nous atteignons le soi-disant ligne de neige, analogue à celui qui existe dans les disques protoplanétaires communs qui gravitent autour de nombreuses étoiles: à partir de la ligne de neige, la poussière devient glacé. Cela signifie que l'agrégation de particules de poussière mélangées à de la glace peut produire des corps contenant des fractions d'eau importantes, comme le sont les objets trans-neptuniens du système solaire.

Au-delà du rayon de sublimation des poussières, des masses de gaz atomiques et moléculaires génèrent des turbulences profondes, qui influent sur le temps d’agrégation des poussières. Le gaz atomique plus chaud est répandu surtout à l'extérieur du disque de poussière, alors que le gaz moléculaire plus froid circule dans les régions internes [Takuma Izumi et al 2018 ApJ 867 48]

Le processus de formation de planète hypothétique, mais plausible, décrit par les trois auteurs de l’étude se déroule autour d’un SBMH de 10 millions de masse solaire, dans un noyau galactique actif. ne pas trop lumineux. La luminosité affecte, en effet, la turbulence du gaz qui porte la poussière: trop de luminosité, comme celle générée par un trou noir trop massif ou trop vorace, ne permettrait pas aux grains de poussière de s'agréger pour former des planètes dans un temps cosmique comparable à l'âge de l'univers. Par conséquent, les disques d’accrétion de SMBH au centre d’objets très brillants tels que des quasars ne sont pas des endroits appropriés pour favoriser le processus de formation de la planète. Au contraire, des AGN moins brillants, tels que ceux situés au centre des galaxies de Seyfert, sont des endroits plus favorables.

Dans le modèle proposé par l'étude, le processus de formation de la planète se déroule dans une région du disque d'accrétion avec une température moyenne d'environ 100 K (−280 F), qui s'étend radialement sur plus de deux parsecs à partir de la ligne neige [5].

Le processus se déroule dans quatre phases. Au cours de la première phase, appelés «hit-and-stick», des grains microscopiques de poussière glacée d'environ un dixième de micron entrent en collision et collent de temps en temps grâce aux forces électrostatiques. De cette manière, ils forment des agrégats plus gros, mais très poreux à l'intérieur et donc de densité extrêmement faible.

Lorsque les agrégats atteignent la taille approximative de 0,1 centimètres, la deuxième phase commence, dominée par la force de compression exercée par les collisions. Au cours de cette phase, les agrégats de poussière sont transportés par la turbulence du gaz dans lequel ils sont immergés. La vitesse des collisions augmente par rapport à la phase précédente, entraînant une compression des agrégats, qui augmentent maintenant non seulement en masse et en taille mais aussi en densité, devenant moins «moelleux».

À la fin de la phase de compression, les graines d’agrégation de poussières ont maintenant atteint une taille approximative de 1 km. Les deux premières phases du processus nécessitent un total de 380 millions années à compléter, avec les conditions énumérées jusqu'à présent.

Le temps nécessaire pour que les grains de poussière microscopiques s'agrègent pour former des objets de la taille de 1 km varie en fonction de la luminosité et de la masse du trou noir (indiqué en abscisse sous la forme d'un logarithme à la base 10 de la masse du Soleil). Pour un trou noir de 6,3 millions de masse solaire, le temps requis est de presque 400 millions d'années (10 sur 8,6) [Keiichi Wada et al 2019 ApJ 886 107]

À partir de ce moment, cependant, les choses vont beaucoup plus vite. Au cours de la troisième phase, les agrégats continuent à grossir et à se compacter, mais la motivation qui augmente leur densité ne provient plus de collisions provenant de la turbulence du gaz, mais de gravité propre, en raison de leur masse croissante. L'évolution de ces objets est maintenant déterminée par des processus de chauffage et de refroidissement, qui dépendent des caractéristiques spécifiques de l'environnement dans lequel ils sont immergés.

La quatrième phase est dominée par instabilité gravitationnelle. Lorsque les agrégats de poussière glacée atteignent une masse suffisante, ils deviennent gravitationnellement instables. Les «protoplanètes» sont ainsi fragmentées en structures en forme de spirale d'où émergent à la fin les véritables «planètes», du fait de l'effondrement du matériau qu'elles contiennent. La durée totale des deux dernières phases est de quelques millions d'années au maximum.

Ce qui rend le modèle décrit dans cette étude particulièrement fascinant est l’ampleur, absolument gigantesque, du phénomène de formation de la planète autour d’une SMBH, par rapport à ce qui se passe dans les disques protoplanétaires normaux. Selon les calculs présentés par les trois auteurs, jusqu’à concurrence de 85 000 planètes pourrait former dans un anneau du disque d'accrétion qui s'étend de la ligne de neige jusqu'à 7 parsec loin de la SMBH, chacun avec une masse moyenne de dix Masse terrestre: un nombre de planètes supérieur de quatre ordres de grandeur à celui de tout système planétaire connu à ce jour!

L’étude ci-dessous présente un tableau qui montre clairement ces différences d’échelle, qui sont vraiment impressionnantes.

Considérons, par exemple, le Masse de l'objet central. Dans
disques protoplanétaires, cet objet est une étoile et sa masse est de l’ordre d'une masse solaire. Dans le cas des disques d’accrétion de SMBH (appelés dans le tableau), disques circumnucléaires), la masse de l’objet central, c’est-à-dire le trou noir, est comprise entre des millions et des milliards de masses solaires. Tout le reste du système, à partir de la luminosité, évolue en fonction de cette énorme différence de masse initiale.

Dans un disque protoplanétaire, le disque de poussière a une taille typique de 10 à 100 unités astronomiques: une infime fraction de l'année-lumière. [6]. Dans un disque circulaire, en revanche, sa taille peut atteindre 100 parsecs, c’est-à-dire plus de 300 années-lumière!

Enfin, nous arrivons aux «matériaux de construction» des planètes. La masse du gaz dans un disque protoplanétaire est estimée à une centaine de la masse de l'étoile centrale. Dans un disque circulaire, la masse du gaz est approximativement égale à un dixième de la masse du trou noir: nous sommes donc dans l'ordre de millions de masses solaires, dans le cas d’une SMBH de 10⁷ masses solaires.

En ce qui concerne la poussière, dans un disque protoplanétaire, sa quantité totale est égale à environ 1 dix millième de masse solaire. Au lieu de cela, dans un disque circulaire, nous atteignons une valeur entre 1000 et 1 000 000 masses solaires.

Compte tenu de ces chiffres, il n’est pas surprenant que des dizaines de milliers de planètes plus massive que la Terre ne peut se former en l'espace de quelques parsecs!

Malheureusement, la grande limite du modèle théorique proposé par les trois scientifiques japonais est qu’il n’est pas vérifiable, du moins pas avec les moyens technologiques dont nous disposons aujourd’hui. Même les télescopes et les radiotélescopes les plus puissants ne peuvent résoudre les détails de la taille des planètes dans les parsecs centraux d'une galaxie active. Pour le moment, nous ne pouvons donc nous contenter que d’imaginer à quel point un immense spectacle pourrait être offert par un immense éventail de planètes, cachées dans le tore de gaz et de poussière qui gravitent lentement autour de vous. [7] à quelques parsecs du moteur central aveuglant d’un trou noir de dix millions de masse solaire.

Pourrait-il y avoir la vie sur l'une de ces planètes? Qui sait? Ce que nous savons, c’est que, autour d’étoiles comme le Soleil, les conditions favorables qui ont permis à la vie de coloniser la Terre ne durent pas éternellement. Le soleil, par exemple, deviendra de plus en plus chaud à mesure qu'il vieillira et, dans environ un milliard d'années, il investira notre planète d'une telle intensité de rayonnement pour assécher les mers et rendre probablement la vie impossible.

Des risques similaires n'existeraient pas pour les planètes formées dans les régions extérieures du disque circumnucléaire d'un SMBH. Les trous noirs ne vieillissent pas et ne meurent pas [8], afin que les planètes qui les entourent, une fois formées, puissent jouir d’un temps presque infini: une condition certainement favorable pour que la vie s’enracine et évolue. Mais il s’agit bien entendu de pure spéculation: nous ne savons pas, en premier lieu, si des planètes peuvent se former dans le disque de poussière d’un SMBH; de plus, nous ne connaissons pas les conditions environnementales réelles auxquelles ces planètes hypothétiques devraient être confrontées. De nombreux facteurs pourraient rendre la vie impossible: par exemple, une fréquence très élevée de collisions avec des corps de différentes tailles (astéroïdes, comètes, autres planètes); un excès de rayonnement ionisant pendant les périodes où le trou noir connaît une activité maximale; facteurs chimiques inconnus qui empêchent la vie de prendre racine, etc.

Quoi qu’il en soit, il est suggestif de penser qu’une variété insondable de mondes habitables pourrait exister au cœur de toutes les galaxies, dans ce qui semble être l’écosystème le plus inhospitalier, à seulement quelques parsecs des plus puissants moteurs de l’Univers.

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