Proto-Jupiter a subi une migration orbitale importante, selon la recherche

L’atmosphère de Jupiter est enrichie en éléments lourds d’un facteur 3 environ par rapport à une composition protosolaire. L’origine de cet enrichissement et s’il représente la composition de l’atmosphère planétaire sont inconnus.

La photo de Jupiter par Hubble montre le paysage en constante évolution de son atmosphère turbulente. Crédit image : NASA / ESA / Hubble / Amy Simon, Centre de vol spatial Goddard de la NASA / Michael H. Wong, Université de Californie, Berkeley / Joseph DePasquale, STScI.

La sonde Galileo de la NASA a mesuré les abondances élémentaires dans l’atmosphère de Jupiter et a constaté que plusieurs éléments lourds (éléments plus lourds que l’hélium) sont enrichis d’un facteur 3 par rapport à une composition protosolaire.

De plus, la récente mesure de l’abondance de l’eau de Jupiter par l’orbiteur Juno de la NASA implique que l’oxygène est enrichi d’un facteur de quelques-uns.

L’origine de cet enrichissement reste inconnue, et plusieurs idées ont été avancées pour l’expliquer.

Les modèles de structure interne de Jupiter suggèrent que son atmosphère est séparée de l’intérieur profond et que la planète n’est pas complètement mélangée.

Cela implique que l’atmosphère jovienne s’est enrichie d’éléments lourds juste avant la fin de sa formation. Un tel enrichissement peut être le résultat d’une accrétion planétésimale.

Cependant, sur place Les modèles de formation de Jupiter suggèrent un taux d’accrétion décroissant avec l’augmentation de la masse planétaire, ce qui ne peut pas expliquer l’enrichissement atmosphérique de Jupiter.

“Puisque nous savons maintenant que l’intérieur de Jupiter n’est pas entièrement mélangé, nous nous attendrions à ce que des éléments lourds se trouvent dans l’intérieur profond d’une planète gazeuse géante, car les éléments lourds sont principalement accrétés au cours des premières étapes de la formation planétaire”, a déclaré le professeur Ravit Helled, chercheur à l’Université de Zurich.

“Ce n’est que dans les étapes ultérieures, lorsque la planète en croissance est suffisamment massive, qu’elle peut attirer efficacement de grandes quantités de gaz d’éléments légers comme l’hydrogène et l’hélium.”

“Trouver un scénario de formation de Jupiter qui soit cohérent avec la structure intérieure prévue ainsi qu’avec l’enrichissement atmosphérique mesuré est donc difficile mais essentiel pour notre compréhension des planètes géantes.”

“Notre idée était que Jupiter avait collecté ces éléments lourds dans les derniers stades de sa formation en migrant”, a-t-elle ajouté.

“Ce faisant, il se serait déplacé à travers des régions remplies de soi-disant planétésimaux – de petits blocs de construction planétaires composés de matériaux d’éléments lourds – et les aurait accumulés dans son atmosphère”, a ajouté le Dr. Sho Shibata, chercheur postdoctoral à l’Université de Zurich.

“Pourtant, la migration en elle-même ne garantit pas l’accrétion du matériel nécessaire.”

“En raison d’interactions dynamiques complexes, la planète migrante n’accrétise pas nécessairement les planétésimaux sur son passage.”

“Dans de nombreux cas, la planète les disperse à la place – un peu comme un chien de berger qui disperse des moutons.”

Esquisse de l'accrétion planétésimale et du gradient de composition en formation dans l'atmosphère de Jupiter.  Le panneau ci-dessus montre le cas où le proto-Jupiter migre de 7 à 5 UA.  Le gaz entrant recouvre l'enveloppe enrichie par accrétion planétésimale et seule la région interne de l'atmosphère de Jupiter est enrichie en éléments lourds.  Le panneau du bas montre le cas où le proto-Jupiter migre de 20 à 5 UA.  Si la protoplanète atteint le point idéal pour l'accrétion juste avant la fin de l'accrétion de gaz, les planétésimaux sont déposés dans l'enveloppe externe.  Une atmosphère de Jupiter enrichie plusieurs fois peut se former si la taille de la couche convective la plus externe est aussi petite que 0,2 masse de Jupiter.  Crédit image : Shibata & Helled, doi : 10.3847 / 2041-8213 / ac54b1.

Esquisse de l’accrétion planétésimale et du gradient de composition en formation dans l’atmosphère de Jupiter. Le panneau ci-dessus montre le cas où le proto-Jupiter migre de 7 à 5 UA. Le gaz entrant recouvre l’enveloppe enrichie par accrétion planétésimale et seule la région interne de l’atmosphère de Jupiter est enrichie en éléments lourds. Le panneau du bas montre le cas où le proto-Jupiter migre de 20 à 5 UA. Si la protoplanète atteint le point idéal pour l’accrétion juste avant la fin de l’accrétion de gaz, les planétésimaux sont déposés dans l’enveloppe externe. Une atmosphère de Jupiter enrichie plusieurs fois peut se former si la taille de la couche convective la plus externe est aussi petite que 0,2 masse de Jupiter. Crédit image : Shibata & Helled, doi : 10.3847 / 2041-8213 / ac54b1.

Dans leur étude, les auteurs ont simulé la formation de Jupiter, y compris la migration planétaire, et ont étudié le taux d’accrétion des planétésimaux.

Ils ont considéré deux voies de formation : le proto-Jupiter migre de 7 UA vers son emplacement actuel, et il migre de 20 UA.

Ils ont découvert que la migration du proto-Jupiter de 20 UA vers son emplacement actuel peut entraîner une accrétion planétésimale tardive et un enrichissement atmosphérique.

“Ce que nous avons découvert, c’est qu’un nombre suffisant de planétésimaux pourraient être capturés si Jupiter se formait dans les régions extérieures du système solaire – environ quatre fois plus loin du Soleil que là où il se trouve actuellement – puis migrait vers sa position actuelle”, Dr. dit Shibata.

“Dans ce scénario, il s’est déplacé dans une région où les conditions ont favorisé l’accrétion matérielle – un point idéal d’accrétion, comme nous l’appelons.”

“Cela montre à quel point les planètes gazeuses géantes sont complexes et à quel point il est difficile de reproduire de manière réaliste leurs caractéristiques”, a déclaré le professeur Helled.

“Il nous a fallu beaucoup de temps en science planétaire pour arriver à un stade où nous pouvons enfin explorer ces détails avec des modèles théoriques et des simulations numériques mis à jour.”

“Cela nous aide à combler les lacunes dans notre compréhension non seulement de Jupiter et de notre système solaire, mais aussi de nombreuses planètes géantes observées en orbite autour d’étoiles lointaines.”

Les résultats de l’équipe ont été publiés dans le Lettres du journal astrophysique.

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Sho Shibata et Ravit Helled. 2022. Enrichissement de l’atmosphère de Jupiter par bombardement planétésimal tardif. ApJL 926, L37 ; doi : 10.3847 / 2041-8213 / ac54b1

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