Titre : Sur les taux de rotation terminaux des planètes géantes (pdf)
Auteur : Konstantin Batygin (que nous avons interviewé en mai dernier)
Institution du premier auteur : California Institute of Technology
Statut : Accepté en AJ
Bonne chance pour trouver le sommeil sur Jupiter ! Cette énorme géante gazeuse tourne plus vite que toute autre planète du système solaire, accomplissant une journée en moins de 10 heures ! Si vous deviez émigrer de la Terre vers la plus grande planète de notre système solaire et viser toujours les 8 heures de sommeil quotidiennes recommandées pour les adultes, cela vous laisserait moins de deux heures par jour pour manger, faire de l’exercice et étudier l’astrophysique. C’est loin d’être suffisant ! Les futurs habitants des villes de nuages de Jupiter ne devraient cependant pas se plaindre.
Lorsque Jupiter s’est formé, il a accrété son atmosphère (plus de 95 % de la masse totale de la planète !) à partir du gaz d’hydrogène et d’hélium du disque protoplanétaire entourant notre Soleil. En absorbant cette masse de gaz, Jupiter a dû commencer à tourner plus vite en absorbant également le moment angulaire du gaz. Elle a fini par atteindre la vitesse de rupture, définie comme le moment où les couches supérieures de l’atmosphère tournent aussi vite qu’un objet placé en orbite autour de la planète, près de la surface. À ces vitesses, Jupiter ne peut pas tourner plus vite. Naïvement, on pourrait s’attendre à ce que Jupiter tourne encore aussi vite aujourd’hui. Cependant, si nous calculons la période de rotation de Jupiter en fonction de sa vitesse de rupture, nous obtenons qu’un jour jovien ne devrait même pas durer 3 heures !
En réalité, les habitants de Jupiter devraient être reconnaissants que quelque chose ait pu ralentir suffisamment la rotation de la planète pour qu’ils puissent regarder les quatre premiers films d’Harry Potter en une journée au lieu d’un seul. Mais quoi ?
Nous savons depuis longtemps que Saturne tourne également beaucoup plus lentement que sa vitesse de rupture (11 h contre 4 h). Et comme Eckhart l’a résumé dans son astrobite de décembre, nous savons maintenant que les exoplanètes géantes gazeuses tournent aussi plus lentement que prévu. Dans l’article d’aujourd’hui, Konstantin Batygin tente de résoudre cette énigme généralisée avec la solution à laquelle on s’attend le plus : le champ magnétique de Jupiter : Le champ magnétique de Jupiter.
Copier la réponse
Jupiter et Saturne ne sont pas les seuls objets du système solaire sujets à ce mystère. Lorsque le Soleil s’est formé, il a lui aussi accrété de l’hydrogène gazeux provenant du disque qui l’entoure. Par conséquent, on s’attendrait naturellement à ce que le Soleil tourne encore plus vite que Jupiter. Pourtant, un jour solaire dure près d’un mois, laissant en quelque sorte le Soleil avec seulement environ 1 % du moment angulaire du système solaire – alors qu’il possède plus de 99 % de la masse !
Une façon pour le Soleil, ou tout autre objet, de perdre son moment angulaire est de rejeter une partie de sa matière. La principale explication de la raison pour laquelle les étoiles comme le Soleil tournent de cette façon est appelée freinage magnétique. Dans ce processus, le vent solaire emporte de la matière hors de la surface, comme il le fait aujourd’hui. Une partie de cette matière est ensuite happée par les lignes du champ magnétique du Soleil, qui l’expulse encore plus loin, emportant avec elle une grande partie du moment cinétique du Soleil. Pour conserver ce moment angulaire, le Soleil devra ralentir sa vitesse de rotation. Les planètes géantes gazeuses peuvent-elles aussi le faire ?
La copie ne fonctionne pas
Jupiter n’est pas tout à fait la même chose qu’une étoile. Il n’a pas de vent solaire, donc il ne peut pas simplement projeter de la matière. Cependant, des recherches récentes sur la façon dont les géantes gazeuses accrètent leur atmosphère peuvent offrir une autre idée.
Alors que nous avions l’habitude de supposer que Jupiter accumulait du gaz directement à son équateur, les simulations modernes montrent qu’elle aurait en fait dû collecter du gaz au-dessus de son « pôle Nord » (et en dessous de son « pôle Sud »). Comme le montre la figure 1, tout le matériel n’est pas mangé par Jupiter. Une partie est déviée vers l’extérieur dans un disque autour de Jupiter – appelé disque circumplanétaire. Ce disque renvoie ensuite cette matière dans le plus grand disque autour de l’étoile – le disque protoplanétaire d’où elle provient. Cela compense l’absence de vent solaire sur Jupiter et lui donne un moyen de projeter de la matière et du moment angulaire.
Figure 1. Schéma conceptuel du freinage magnétique pour une planète de la taille de Jupiter en croissance. {A} La planète peut accréter du gaz d’hydrogène dans son atmosphère directement à partir du disque protoplanétaire bleu autour de l’étoile (pas le disque autour de la planète !). Ce gaz suit les flèches du flux méridional vers le « pôle nord » de la planète. {B} Le reste de l’hydrogène est dévié dans le disque orange autour de la planète. La planète peut également accréter un peu plus de gaz de ce disque orange (plus précisément, les couches supérieure et inférieure). Cependant, la majeure partie du disque orange (les couches intermédiaires) se déversera vers l’extérieur, en suivant les flèches blanches à travers la région rouge – ce qui le ramènera dans le disque bleu autour de l’étoile d’où il est parti. Le fait que le gaz soit complètement expulsé du disque autour de la planète permet à cette dernière de subir un freinage magnétique. Fig. 2 de l’article (par James Keane).
Retourner plus lentement (à cause du freinage magnétique), puis plus rapidement (à cause de la contraction gravitationnelle)
La figure 2 montre l’évolution de la période de rotation de Jupiter (c’est-à-dire la longueur de son jour) après sa formation, avec et sans freinage magnétique. Dans les deux modèles, Batygin suppose que Jupiter commence avec un rayon deux fois plus grand avant que la gravité ne le contraigne à se contracter jusqu’à sa taille actuelle en 1 myr environ. Il suppose également que la planète commence à tourner à la vitesse de rupture (environ 8 heures).
Sans ralentissement, Jupiter accélère simplement au fur et à mesure que la planète se contracte afin de conserver son moment angulaire. Mais avec le freinage magnétique, Jupiter tourne d’abord jusqu’à une période de rotation de 36 heures en environ 25 000 ans. Puis, la contraction gravitationnelle la fait remonter à une période de rotation de 9 heures au moment où elle atteint son rayon actuel – assez proche de sa période de rotation actuelle de 9 heures et 56 minutes !
Figure 2. La période de rotation de Jupiter dans les 2 premiers Myr après sa formation. Sans freinage magnétique (or), elle tourne à la vitesse de rupture, qui s’accélère à mesure que la taille de la planète diminue. Avec le freinage magnétique (bleu), Jupiter tourne en premier, ce qui lui laisse à peu près la bonne période de rotation au moment où elle se contracte à sa taille actuelle. Fig. 3 de l’article.
Maintenant que le modèle de cet article a démontré que le freinage magnétique peut conduire à peu près au bon taux de rotation pour Jupiter (et Saturne aussi), Batygin espère que les travaux futurs exploreront des aspects plus méticuleux du problème liés à la magnétohydrodynamique (MHD), à la fois avec une approche analytique (comme avec les équations de cet article) et aussi des simulations (qui n’ont pas été utilisées directement dans ce modèle).
Les astrophysiciens vivant sur Jupiter ou sur des exoplanètes géantes gazeuses dans d’autres systèmes stellaires auront beaucoup plus de temps par jour pour étudier ce problème. Et ils pourront remercier à la fois les champs magnétiques et la façon dont ces planètes ont accrété leur atmosphère.
- À propos de l’auteur
A propos de Michael Hammer
Je suis un étudiant diplômé à l’Université d’Arizona, où je travaille avec Kaitlin Kratter sur la simulation de planètes, de tourbillons et d’autres phénomènes dans les disques protoplanétaires. Je suis originaire du Queens, à New York, mais je ne suis pas Spider-Man…
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