Bonjour,
Lors de la création d'un système dit "solaire", on part d'un nuage de poussières dont le centre est l'étoile en formation. Pourquoi ce nuage commence-t'il à tourner autour de l'étoile pour former le disque protoplanétaire? Et donc, à terme, les planètes formées tournent autour de leur étoile.
Question subsidiaire: le sens de rotation est-il toujours le même pour toutes les étoiles?
Merci
Dernière modification par guylouis ; 08/10/2016 à 16h39. Motif: Faute de frappe
Parce que le milieu d'origine (le nuage moléculaire), est un milieu turbulent. Il y a plein de choses qui peuvent lui donner de la vorticité, comme par exemple l'explosion de supernova. Si tu prend une tasse de café avec un liquide au repos et que tu le perturbes en passant une cuillère dans un simple mouvement de translation, il se forme une allée de tourbillons de Karman derrière la cuillère. La perturbation a amené de la vorticité dans le nuage. La fraction de ce nuage de gaz qui amorce son effondrement pour former une nouvelle étoile contient plein de tourbillons de taille et d'énergie diverses et quand on fait la somme algébrique de l'ensemble, ça n'a aucune raison de tomber sur zéro. Il y a donc un moment de rotation net (une énergie cinétique globale du nuage du fait de sa rotation sur lui même) qui est non nulle et qui est partiellement conservé lors de l'effondrement.Envoyé par guylouis
En première approximation non, il n'y a pas d'axe de rotation privilégié.Question subsidiaire: le sens de rotation est-il toujours le même pour toutes les étoiles?
Dernière modification par Gilgamesh ; 08/10/2016 à 17h07.
Parcours Etranges
Merci. Ta réponse paraît claire et circonstanciée. Mais...
Tu prends l'exemple d'une tasse de café. Manuellement, j'aurai beau faire aller ma cuiller sans arrêter au hasard dans n'importe quel sens, je n'arriverai jamais à créer un tourbillon. Du moins, je l'imagine.
Amicalement.
Si, si, fait l'expérience.
Ou tape allées de Von Karman / Von Karman vortex street dans Google image ou sur YT pour voir quelques exemples.
Parcours Etranges
Vu d'un côté, un système planétaire tourne dans le sens horlogique, et vu de l'autre côté, le même système tourne dans le sens anti-horlogique. La notion de sens de rotation n'est jamais qu'une question de repaire.
Les météorites ne peuvent exister car il n'y a pas de pierres dans le ciel. Lavoisier.
*anti horaire
*repère
Oui, c'est ce qui est sous entendu quand on dit que l'axe de rotation n'a pas d'orientation privilégié.
Parcours Etranges
C'est intéressant.
Ceci implique donc qu'il existe une relation entre la masse de l'étoile centrale et la vitesse de rotation des planètes qui se forment autours d'elle ? (plus exactement une relation avec la moyenne des vitesses statistiquement observées sur un échantillon de systèmes stellaires)
Oui, les allées (vortex) de Von Karman matérialisées par des tourbillons se produisant quand des vents rencontrent des îles montrent ce qui peut se passer dans les créations de systèmes d'étoiles. Je suis maintenant convaincu.
Çà dépend du côté où l'on regarde le disque planétaire et comme dans l'Univers il n'y a ni haut ni bas, le sens de rotation n'a plus de signification précise.
Connais toi toi-même (Devise de Socrate inspiré par Thalès)
Il y a bien une relation avec la masse, c'est la loi de Képler, mais ça n'est pas en relation avec la turbulence initiale du nuage.
La loi de Képler s'écrit :
a3/T2 = M
avec
a le demi grand axe de l'orbite de la planète (en UA)
T la période orbitale (en année)
M la masse du système (en masse solaire), essentiellement la masse de l'étoile
Ça veut dire qu'à une distance donnée, plus la masse de l'étoile est élevée, plus la période orbitale est courte
Parcours Etranges
Justement, c'est un peu ce qui me chiffonne ici.
Je n'ai probablement pas bien saisi la formation du système stellaire.
Pour préciser mon interrogation, voilà ce que j'ai compris pour le moment :
Au départ, on a un "nuage" interstellaire. (avec éventuellement un moment cinétique global ?).
Ce nuage est composé de poussières et ou molécules diverses de densité variable.
La question, pour avoir une idée des propriétés de ce nuage pourrait être de savoir quelle est son origine. (D'où provient ce nuage ?)
Mais bon, admettons pour simplifier que ce nuage soit composé d'éléments de même nature.(un gaz ?)
Ensuite, par agrégation successive, il se forme statistiquement une masse plus imposante que les autres (plus compacte).
Il s'agit là d'une formation "douce", sans supernova ou autre évènement fortement cinétique qui viendrait perturber le nuage. (hypothèse invalidée ?)
La protoétoile continue d'augmenter sa masse et ce faisant attire les éléments du nuage.
Si les éléments du nuage ont une vitesse faible, ils tombent en gros directement vers l'étoile en formation.
Les éléments les plus proches tombent vers l'étoile.
C'est à ce niveau que je comprend qu'il y a un phénomène de "tourbillon". (c'est peut-être le point que je n'ai pas saisi)
Les éléments du nuage tombent vers l'étoile et forment dans leur sillage des vortex, qui vont accélérer certains éléments non capturés autours de l''étoile en leur donnant une vitesse radiale.
C'est cette vitesse radiale qui permet aux éléments attirés par l'étoile de ne pas être directement absorbés.
C'est ici pour ma part que j'estimais que la masse de l'étoile pouvait peut-être avoir une incidence sur la vélocité des vortex.
La moyenne en terme de rotation horaire et antihoraire s'annule certes, mais statistiquement, si les tourbillons sont plus intenses, il est plus probable que la vitesse de rotation finale du nuage soit plus élevé.
Après, la question de savoir pourquoi il y a plusieurs planètes, la formation des anneaux autour de l'étoile, la pression de radiations venant de l'étoile, etc, ce sont évidement des mécanismes très compliqués que j'ai essayé d'ignorer dans un premier temps.
Et ça, c'est le résultat final; les planètes se trouvent à une certaine distance avec une certaine vitesse selon les lois de la gravitation.
Et la question que je me posais justement, c'est : Est-ce que le résultat final dépend deux fois de la masse stellaire, selon plusieurs lois donc.
Ce qui conditionnerait peut-être certaines orbites plutôt que d'autres ?
Ok, je ne peux pas tout reprendre dans le détail, donc on va plutôt détailler le mécanisme de formation stellaire dans son ensemble.
Le nuage moléculaire : du gaz poussiéreux
Le gaz
Une galaxie, au départ, c'est du gaz. Ce gaz a une composition précise, résultant de la nucléosynthèse primordiale, soit en gros 3/4 d'hydrogène et 1/4 d'hélium + un poil d'autres éléments légers (D, Li, Be, B). A l'issue des âges dits obscures (puisque dépourvus d'étoiles), environ 200 Ma après le début de l'expansion, ce gaz primordial, suffisamment refroidit, va s'effondrer de places en places pour former les premières étoiles (dite de Population III) et celles-ci, probablement très massives, vont rapidement exploser en supernovas, en dispersant dans le milieu des éléments lourds formés en leur sein, que l'on nomme collectivement "métaux" en astrophysique. Il y a là dedans de l'oxygène, du carbone, de l'azote, du silicium, du fer, etc. Ces éléments lourds vont se condenser en poussières.
Le poussières
Ces poussières sont des petites condensations oblongues de 1 à 2 microns de longueur, formées d'un noyau réfractaire de métaux (Fe essentiellement) et de silicates (SiO2 et consorts) entourés d'une gangue de matériaux volatiles (H2O essentiellement + toutes les autres glaces planétaires : CO2, CO, CH4, NH3...) sous forme de glace amorphe qui dissout une petite fraction de composés organiques ('hydrocarbures').
Le point important est que ces poussières forment des "radiateurs" très efficaces, c'est à dire que lorsqu'elles sont heurtées par une molécule de gaz, le choc va être inélastique, cad que l'énergie va être absorbée par la montagne d'atomes disposés en réseau cristallin que constitue la poussière et, via les vibrations du réseau, être ré-émise dans l'infra-rouge. Un nuage poussiéreux va donc rayonner efficacement. De la sorte, il va se refroidir. Il se condense, ce qui améliore encore l'efficacité des processus radiatifs. Le gaz galactique pour l'essentiel est "tiède" (~ 104 K) c'est à dire grosso modo en équilibre thermique avec le rayonnement des étoiles. En devenant poussiéreux sa température peut être divisée par 1000 pour atteindre 10 K. A cette température, il devient localement instable, c'est à dire que sa pression devient insuffisante pour contrer la force de gravité et il va précipiter pour former des étoiles, de toutes masses.
Formation des étoiles
Instabilité du nuage : la masse de Jeans
Plus le milieu est froid, plus il va former d'étoile (d'autant moins massive, et nombreuse que le milieu est froid). Pour comprendre ça, partons d'un grand nuage de gaz (rayon R supérieur à l'année lumière) et regardons ce qui se passe pour un atome d'hydrogène à sa surface.
Il a une certaine température T, donc une certaine vitesse Vt, pour vitesse "thermique".
où :
k est la cte de Boltzmann (1,6e-23)
m la masse de l'atome d'hydrogène.
Cette vitesse aurait tendance à le mener à l'infini sauf qu'il est dans un puits de gravité. Il est attiré par le centre du nuage, du fait de la masse de l'ensemble.
Par hypothèse, si cet atome n'a pas quitté le nuage, c'est que Vt ne dépasse pas la vitesse de libération, ou vitesse d'échappement Ve
Les conditions d'équilibres s'écrivent donc :
La masse M attractive est égale au produit du volume par sa densité :
En supposant le nuage grosso modo sphérique, le V le volume se calcule simplement :
la masse volumique quand à elle est proportionnelle au nombre de particules par cm3.
En remplaçant les termes qu'il faut tu obtiens que la masse d'équilibre, dite "masse de Jeans", s'écrit :
(K une cte ad hoc)
Numériquement :
avec T en Kelvin et n le nombre d'atomes d'hydrogène (proton) par cm3.
Autrement dit, si tu prend un nuage et que tu augmentes sa densité ou plus simple que tu diminues sa température, tu fais passer sa masse sous Mj et la force de gravité l'emportent sur la force d'agitation thermique.
Pour un nuage normal, de température comprise entre 10 et 100 K, et de densité autour de 103 atomes par cm3, on obtient une masse de Jeans de l’ordre de 105 M☉ et de diamètre de l'ordre de 10 pc. Cette masse est très supérieure, au minimum d'un facteur mille, à la masse d’une étoile. L’effondrement d’un nuage de ce genre ne produit directement une étoile, on va avoir un processus de fragmentation, qu'on examinera dans la suite.
Chute libre du gaz vers le centre : temps caractéristique
L'effondrement commencé, on va continuer de suivre notre atome d'hydrogène de masse m, située à la surface de l’objet, dans sa chute vers le centre du nuage. Il subit une accélération de la pesanteur qui s'exprime comme :
Pour simplifier on va la considérer constante. Pour se rapprocher du centre d’une distance Δr, la particule mettra un temps τ tel que :
On définit le temps caractéristique de chute libre comme celui qui divise le rayon de l’objet par 2 : Δr = R/2. Soit :
d’où :
En reprenant les données précédentes on trouve une durée caractéristique τ~ 1,5 Ma
Fragmentation
La durée de l’effondrement est beaucoup plus longue que le temps de transfert de l’énergie. La chaleur produite au centre où se forme la protoétoile se propage à l’extérieur en une centaine d’années, alors que l’effondrement du nuage dure des millions d’années. La température a largement le temps de s'uniformiser et on peut considérer dans un premier temps que le nuage est isotherme. De ce fait, on un nuage de densité croissante et de température uniforme, ce qui fait que la masse de Jeans diminue. Chaque masse de Jeans connait un effondrement séparé et le nuage se fragmente.
Jusqu'au moment où le densité devient assez élevée pour que l'opacité du gaz et des poussières bloque le rayonnement. On peut considérer qu'un nuage de densité initiale 1000 cm-3 devient opaque lorsque sa densité a augmenté d'un facteur 100. La contraction va maintenant se faire sans échange d’énergie avec l’extérieur, on est passé en régime adiabatique. La masse de Jeans augmente lors de la contraction, le nuage ne peut plus se fragmenter, il va maintenant ne former qu'une seul étoile. Le seuil de partage entre le régime isotherme et adiabatique, commandé par l'opacité, va déterminer la masse initiale de l'étoile en formation. Le calcul montre que la masse de Jeans la plus petite possible est de l’ordre de la masse du Soleil. Il y aura d'autre pertes en chemin qui vont faire que la plupart des étoiles ont une masse moins élevée. En reprenant les éléments de calcul ci dessus, on calcule que le passage isotherme > adiabatique prend environ 0,14 Ma.
Applatissement
En plus de se réchauffer le nuage va tournoyer de plus en plus rapidement, par conservation du moment de rotation. Le moment de rotation est le produit de la masse M par le rayon R et par la vitesse angulaire ω. Lors que R diminue à masse constante, ω augmente. Au sein de cette sphère en rotation, la gravité est la même en tous les points de la sphère, puisque c’est la quantité de matière située au-dessous (plus près du centre) qui seule compte. Par contre, la force centrifuge varie en fonction de la distance à l’axe de rotation : elle est nulle sur l’axe et maximale à l’équateur. La force subie par une particule est la résultante de ces deux forces : la particule aurait tendance à tomber vers le centre du disque, mais la force centrifuge l’en écarte un peu vers l’extérieur. Au bout du compte, la particule va se diriger en spirale vers le disque équatorial. Le nuage s’aplatit et forme un grand disque de matière en rotation, avec une forte condensation centrale, la protoétoile.
Le moment d'ensemble du système n'est que partiellement conservé. S'il l'était complètement, les particules ne pourraient pas parvenir à se rassembler au centre pour former la protoétoile, qui regroupe plus de 99% de la masse du système. On observe sur de nombreux système en formation, un mécanisme de d'éjection de matière bipolaire, le long de l'axe de rotation du système (voir: objet de Herbig–Haro). Ce mécanisme complexe fait intervenir probablement le champ magnétique de la jeune étoile dans un milieu ionisé. On pense que ces jets contribuent à évacuer le moment de rotation du système, ce qui lui permet de poursuivre son effondrement.
Trajet de Hayashi
La température de la protoétoile est très élevée du fait de la contraction gravitationnelle, et l’énergie potentielle libérée par les atomes dans leur chute vers le centre se transforme en chaleur. C'est pour l'instant la seule source d'énergie de l'étoile. L'évolution en température et luminosité de la protoétoile jusqu'à son ignition définit ce qu'on appelle son trajet de Hayashi. Les courbes de la luminosité en fonction de la luminosité est quasi verticales : la luminosité d'abord très élevée diminue à température constante. L'étoile se contracte. Sa densité augmente, et avec elle sa température centrale.
Quand la température centrale permet l'ignition de l'hydrogène, le dégagement d'énergie stabilise son rayon. L'étoile a maintenant atteint sa séquence principale où elle va passer la majeure partie de son existence.
Dernière modification par Gilgamesh ; 09/10/2016 à 22h45.
Parcours Etranges
Merci Gilgamesh pour cet exposé très détaillé.
Donc si je comprend bien, la raison de l'augmentation de la vitesse de rotation est lié au rapprochement des éléments du nuage vers la protoétoile, un peu comme un patineur qui rapproche les bras du corps lors d'une rotation.
Mais alors la vitesse de rotation initiale, le moment de rotation qui est conservé, quelle en est la raison ?
Les vortex ?
Tout à fait.
Comme dit, on part d'un milieu fortement turbulent : le nuage moléculaire. L'origine de cette turbulence peut être recherchée déjà dans le processus initial de compression gravitationnel qui donne naissance au nuage. Un nuage qui se contracte sous l'effet de sa propre masse, va produire des zones plus ou moins rapides parce que le champ de gravité n'est pas parfaitement homogène. Elles vont entrer en collision, engendrant de la turbulence. La turbulence est le processus dissipatif par lequel l'énergie cinétique du système se redistribue en cascade des grandes aux petites échelles, jusqu'à ultimement se dissiper en énergie thermique (élevant la température du nuage). Quand les étoiles vont se former, les premières à disparaître sont les plus massives, sous forme de supernovas, dont l'onde de choc va également se dissiper en partie sous forme de flots turbulents.Mais alors la vitesse de rotation initiale, le moment de rotation qui est conservé, quelle en est la raison ?
Les vortex ?
Une review là dessus : Molecular Cloud Turbulence and Star Formation
Dernière modification par Gilgamesh ; 09/10/2016 à 23h47.
Parcours Etranges
Bonjour,
J’amène un petit hors-sujet (pour info) concernant mes dernières lectures.
Beaucoup de ses standards, l’image que nous en faisons, tombe à l’eau ses derniers temps ! :
L’image que nous avons d’un système planétaire (cortège de planètes en orbite autour d’une étoile) n’est plus une norme, c’est un cas parmi tant d’autre !
Pendant longtemps on se le représentait ainsi, comme si c’était un standard ;
Mais depuis quelque temps, la donne a changé.
Les configurations sont multiples, on a de tout ! :
- Systèmes composés d’une étoile, solitaire, sans planète.
- Systèmes composés d’une étoile avec une ou un cortège de planètes (comme le nôtre).
- Systèmes composés de deux, trois… étoiles, solitaire, sans planète…
(Par exemple une étoile super-massive qui fait office d’étoile centrale, puis une ou plusieurs étoiles naines qui font office de planète).
- Systèmes composés de deux, trois… étoiles avec une ou un cortège de planètes.
(Comme le système précédent mais avec des planètes en plus, un gros foutoir).
Et le plus dingue encore :
- Systèmes froid et obscure, composés de plusieurs planètes mais sans étoile ! ce qui fait office d’étoile c’est une planète géante ou super-géante (étoile ratée).
Bien évidemment, certain de ses nombreux système (pas pour tous) sont parfois trop instable pour durer sur le long terme (certain arrive à se maintenir en place), il existe donc aussi :
- Des systèmes composés uniquement de deux ou plusieurs planètes, (naine, géante, etc…) !
- Ou encore des planètes vagabondes, solitaires … !
Après, certain sont moins nombreux et d’autres plus fréquents, mais l’image qu’on se faisait d’un système planétaire par le passé, n’est plus un standard !
Petit + :
C’est également valable pour les rassemblements d’étoiles, galaxies…
Il y a par exemple un nombre exorbitant, incalculable, d’étoile solitaire, entre les galaxies, perdues au milieu de nulle part !
Petit hors sujet :
L’image qu’on se fait des conditions idéales pour qu’une exoplanètes abrite la vie, qui devrait avoir les caractéristiques les plus proche de la nôtre pour être la plus propice à l’apparition de la vie et plus particulièrement permettre l’évolution, est une image fausse également !
Aux dernières nouvelles, l’endroit le plus propice à la vie et plus particulièrement à son évolution, ne correspond pas à notre situation.
Les meilleures conditions serait une planète (tellurique, évidemment !), mais 2 fois plus massive que la nôtre (pas de grande chaine montagneuse et océan moins profond) et orbitant autour d’une étoile bien moins massive que la nôtre… une étoile naine orange serait le plus idéal… (étoile plus calme) naturellement plus près pour rester dans la zone habitable (là où l’eau reste liquide).
Ce qui ferait en conclusion que la Terre n’est pas dans les meilleures conditions !
« Un problème sans solutions est un problème mal posé ! » Albert Einstein.
Des observations récentes dans l'infrarouge ont en effet montré qu'il y avait autant d'étoiles isolées dans les grands vides cosmiques que d'étoiles faisant partie des galaxies.
L'intensité du rayonnement infrarouge reste pratiquement identique dans toutes les directions, qu'il y ait des amas galactiques ou non dans la ligne de visée.
Les météorites ne peuvent exister car il n'y a pas de pierres dans le ciel. Lavoisier.
Bjr, je voudrais savoir si toutes les planètes tournent forcément autour d'une etoiles? Et si non les planètes n'étant pas le satellite d'une étoile dérivent elles dans l'espace ou restent elles à leur place attendant qu'un événements leur donne un mouvement ?
Non, pas forcément, ce n’est pas une norme.
Comme je disais, une planète peut aussi bien orbiter autour d’une planète géante, ou naine brune (étoile ratée) … des systèmes froids et obscures ; qu’être solitaire (après éjection de son système natal)
Une planète peut donc également se retrouver à vagabonder entre les étoiles (dans le milieu interstellaire).
Ce qui va lui arriver dans son avenir est très aléatoire… elle peut aussi bien continuer indéfiniment à rester solitaire, capturer éventuellement d’autres corps en orbite autour d’elle, ou bien se faire elle-même capturer par une étoile, puis éventuellement se refaire éjecter après l’éventuel beau foutoir qu’elle aura fait dans ce système (si bien sûr elle ne s’est pas pris une éventuelle planète en pleine tronche sur sa trajectoire), ou bien encore terminer sa course en plongeant sur cette étoile, etc…
petite précision, on est toujours en mouvement par rapport à quelque chose... le mouvement est relatif.
Pour dire si elle est en mouvement ou pas, tout vas dépendre du point de vu (dans quel référentiel on se place).
donc une planète est toujours en mouvement par rapport à quelque chose... ou autrement dit, quelque chose sera toujours en mouvement par rapport à elle.
Dernière modification par PPathfindeRR ; 16/11/2016 à 12h53.
« Un problème sans solutions est un problème mal posé ! » Albert Einstein.
