Selon une nouvelle étude menée par des chercheurs de Caltech, le mouvement d’un petit nombre de particules chargées pourrait résoudre un mystère de longue date concernant les disques de gaz minces tournant autour de jeunes étoiles.
Pourquoi le système solaire interne ne tourne-t-il pas plus vite ? Les scientifiques ont de nouvelles réponses. Crédit image : CactiStaccingCrane, CC BY-SA 4.0
Ces caractéristiques, appelées disques d’accrétion, durent des dizaines de millions d’années et constituent une phase précoce de évolution du système solaire. Ils contiennent une petite fraction de la masse de l’étoile autour de laquelle ils tourbillonnent ; imaginez un anneau semblable à Saturne aussi grand que le système solaire. On les appelle disques d’accrétion parce que le gaz qu’ils contiennent s’enroule lentement vers l’étoile.
Les scientifiques ont réalisé il y a longtemps que lorsque cette spirale vers l’intérieur se produit, elle devrait faire tourner la partie radialement interne du disque plus rapidement, selon la loi de conservation du moment cinétique. Pour comprendre la conservation du moment cinétique, pensez aux patineurs artistiques qui tournent : lorsque leurs bras sont tendus, ils tournent lentement, mais lorsqu’ils rentrent leurs bras, ils tournent plus vite.
Cependant, les calculs montrent que les disques d’accrétion ont un frottement interne négligeable. La théorie actuelle est que les champs magnétiques créent une « instabilité magnétorotationnelle » qui génère des turbulences gazeuses et magnétiques – formant efficacement une friction qui ralentit la vitesse de rotation du gaz en spirale vers l’intérieur.
Maintenant, les physiciens Paul Bellan et Yang Zhang ont créé un modèle informatique d’un disque d’accrétion virtuel ultra-mince en rotation. Le disque simulé contenait environ 40 000 particules neutres et environ 1 000 particules chargées qui pouvaient entrer en collision les unes avec les autres, et le modèle a également pris en compte les effets de la gravité et d’un champ magnétique.
« Ce modèle avait juste la bonne quantité de détails pour capturer toutes les caractéristiques essentielles », dit Bellan, « parce qu’il était assez grand pour se comporter comme des milliards et des milliards de collisions de particules neutres, d’électrons et d’ions en orbite autour d’une étoile dans un champ magnétique. ”
La simulation informatique a montré que des collisions entre des atomes neutres et un nombre beaucoup plus petit de particules chargées entraîneraient des ions chargés positivement, ou des cations, en spirale vers l’intérieur vers le centre du disque, tandis que des particules chargées négativement (électrons) s’enroulent vers l’extérieur vers le bord. Les particules neutres, quant à elles, perdent leur moment cinétique et se dirigent vers le centre comme les ions chargés positivement.
L’article de Bellan et Yang rapportant les résultats a été publié dans Le Journal Astrophysique. Le financement de la recherche provient de la US National Science Foundation.
« Cette étude répond à une question difficile sur la façon dont les disques se développent, évoluent et forment des jets », explique Lisa Winter, directrice de programme à la Division des sciences atmosphériques et géospatiales de la NSF. « Ce processus se produit partout dans l’univers, de la formation des systèmes solaires aux trous noirs supermassifs au centre des galaxies. »
La source: NSF
