L’observation ALMA d’une jeune étoile révèle des détails sur les grains de poussière

L’un des principaux objectifs de l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) est d’étudier la formation et l’évolution des systèmes planétaires. Les jeunes étoiles sont souvent entourées d’un disque de gaz et de poussière à partir duquel les planètes peuvent se former.

L’une des premières images haute résolution capturées par ALMA était celle de HL Tauri, une jeune étoile située à seulement 480 années-lumière, entourée d’un disque protoplanétaire. Le disque présente des interstices visibles qui pourraient se trouver là où de jeunes protoplanètes se forment. La formation planétaire est un processus complexe que nous ne comprenons pas encore pleinement. Au cours de ce processus, les grains de poussière dans le disque grossissent à mesure qu’ils entrent en collision et se collent les uns aux autres, ce qui les fait croître lentement pour devenir potentiellement des objets similaires à ceux de notre système solaire.

L’une des façons d’étudier les grains de poussière dans ces structures complexes consiste à examiner l’orientation des ondes lumineuses qu’ils émettent, appelée polarisation. Des études antérieures sur HL Tauri ont cartographié cette polarisation, mais une nouvelle étude menée par Ian Stephens et ses collègues a capturé une image de polarisation de HL Tauri avec des détails sans précédent.

L’image résultante est basée sur 10 fois plus de mesures de polarisation que sur tout autre disque et 100 fois plus de mesures que la plupart des disques. Il s’agit de loin de l’image de polarisation la plus profonde de tous les disques capturés jusqu’à présent, selon une étude publiée le 15 novembre dans Nature.

L’image a été capturée à une résolution de 5 UA, soit environ la distance entre le soleil et Jupiter. Les observations de polarisation précédentes étaient à une résolution beaucoup plus faible et ne révélaient pas les subtils modèles de polarisation à l’intérieur du disque. Par exemple, l’équipe a découvert que la quantité de lumière polarisée était plus grande d’un côté du disque que de l’autre, ce qui est probablement dû à des asymétries dans la répartition des grains de poussière ou à leurs propriétés à travers le disque.

Les grains de poussière ne sont pas souvent sphériques. Ils peuvent être aplatis comme une crêpe épaisse ou allongés comme un grain de riz. Lorsque la lumière est émise ou dispersée par ces grains de poussière, elle peut devenir polarisée, ce qui signifie que les ondes lumineuses sont orientées dans une direction particulière plutôt que de manière aléatoire. Ces nouveaux résultats suggèrent que les grains se comportent davantage comme des grains allongés et imposent de fortes contraintes sur la forme et la taille des grains de poussière à l’intérieur du disque.

Un résultat surprenant de l’étude est qu’il y a plus de polarisation dans les espaces du disque que dans les anneaux, même s’il y a plus de poussière dans les anneaux. La polarisation dans les espaces est plus azimutale, ce qui suggère que la polarisation provient de grains de poussière alignés dans les espaces. La polarisation des anneaux est plus uniforme, ce qui suggère qu’elle provient en grande partie de la diffusion.

En général, la polarisation provient d’un mélange de diffusion et d’alignement des poussières. Sur la base des données, on ne sait pas exactement ce qui provoque l’alignement des grains de poussière, mais ils ne sont probablement pas alignés le long du champ magnétique du disque, ce qui est le cas pour la plupart des poussières en dehors des disques protoplanétaires. Actuellement, on pense que les grains sont alignés mécaniquement, peut-être par leur propre aérodynamique, lorsqu’ils tournent autour de la jeune étoile centrale.

Que révéleront ensuite les études sur HL Tau ? Cette nouvelle publication montre clairement qu’une haute résolution est nécessaire pour les observations de polarisation afin de connaître les détails des grains de poussière. En tant que télescope millimétrique/submillimétrique le plus puissant au monde, ALMA constituera un instrument fondamental pour la poursuite de ces recherches.