During the last two decades, numerous circumstellar dust disks have been detected, both in thermal emission and in scattered light. These systems can schematically be divided into two categories : massive and gas rich protoplanetary disks, observed around young stellar objects and corresponding to the first stages of planetary formation, and more tenuous and gas depleted debris disks, around more evolved systems where the bulk of planetary accretion is probably already over and where the observed dust is believed to be produced by collisions among leftovers of the formation process (for more details, see for example the excellent series of lectures by Mark Wyatt : http://www.ast.cam.ac.uk/ wyatt/ ).

Figure 1 : Numerical simulation of a collisional avalanche propagating in a debris disk : a 40 km object is initially shattered at 20 AU, releasing 1020 g of dust. The colour index shows the dust surface density. The total timescale is 1000 years.

One striking result derived from these observations is that almost no debris disk is nicely smooth and symmetric : spiral arms, narrow and broad annuli, "clumps", brightness asymmetries, etc. are commonly observed (for an impressive family portrait of debris disk, see http://astro.berkeley.edu/ kalas/disksite/pages/gallery.html). These morphological features can provide hints on important ongoing processes in the disks and improve and understanding of planetary formation scenarios. The usual explanations proposed for most of these asymmetries is the perturbing influence of an embedded planet or bound stellar companion. Alternative explanations, not directly relying on the presence of an undetected planet, are however possible.

A joint team of the Stockholm and Paris observatories has recently studied an alternative scenario in which the source of these asymmetries is the violent break-up of a large planetesimal or cometary object releasing vast quantities of dust particles. The main point is here that the consequences of such a localized event might strongly exceed the initial excess of dust released by the break-up : the smallest initially released particles are indeed ejected outward by the star’s radiation pressure and might impact other grains in the disks, thus producing a new generation of dusty debris which will also be ejected outward and impact other grains on their way out, etc., possibly creating an outward propagating collisional "avalanche". To study this complex chain reaction mechanism, a new innovative numerical model has been developed, which follows both the dynamical and size distribution evolutions of a dusty disk. The obtained results show that collisional avalanches are a very efficient mechanism, creating outward propagating spiral structures (Figure 1), whose amplitude strongly depends (almost exponentially) on the dustyness of the disk in which it propagates. For systems having dust masses slightly above that of the archetypal debris disk of Beta-Pictoris, avalanche-created asymmetries might be bright enough, and avalanche creating events frequent enough to become observable. The observable signatures of an avalanche could be single-armed spirals or lumpy structures in disks viewed head-on or two-side brightness asymmetries in edge-on viewed systems.

Reference : Collisional Dust Avalanches in Debris Disks (Astronomy & Astrophysics, in press) Grigorieva, Anna, Artymowicz, Pawel, Thébault, Philippe http://xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/0609025

Contact Philippe Thébault (Observatoire de Paris, LESIA et Observatoire de Stockholm)

Dernière modification le 4 mars 2013

Au cours des deux dernières décennies, quantité de disques circumstellaires ont été détectés puis imagés grâce à l’émission thermique et à la lumière diffusée par la poussière qu’ils contiennent. Ces disques peuvent schématiquement être divisés en deux catégories : les disques « protoplanétaires », massifs et riches en gaz, censés correspondre aux premières étapes de la formation de systèmes planétaires, et les disques de « débris », plus ténus et pauvres en gaz, correspondant a des systèmes plus évolués pour lesquels le gros de l’accrétion planétaire aurait déjà eu lieu. Dans ces disques de débris, la poussière observée serait produite par collisions entre les « restes » laissés par le processus de formation planétaire (pour plus de détails, voir par ex. l’excellente série de cours de Mark Wyatt : http://www.ast.cam.ac.uk/ wyatt/ ).

Figure 1 : Simulation numérique de l’évolution d’une avalanche collisionnelle dans un disque de débris : Initialement un corps de 40 km est brisé à20 UA de l’étoile et relâche 1020g de poussières. L’échelle de couleur indique la densité surfacique de poussières. L’echelle de temps totale est de 1000 ans.

Un des enseignements majeurs de ces observations est que presque aucun disque de débris ne semble être régulier et symétrique. On observe presque toujours des structures, parfois très marquées : bras spiraux, anneaux fins ou larges, « grumeaux », asymétries de brillance, etc. (pour un bel « album de famille » des disques de débris : voir http://astro.berkeley.edu/ kalas/disksite/pages/gallery.html). On a le plus souvent tendance à expliquer ces structures par la présence de planètes non-détectées ou de compagnons stellaires, dont les perturbations gravitationnelles affecteraient profondément la distribution de la poussière observée. Une équipe regroupant des chercheurs de l’Observatoire de Paris et de l’Université de Stockholm a ainsi récemment exploré un scénario alternatif, ne faisant pas directement appel à la présence de planètes invisibles, dans lequel la source de ces asymétries est un événement isolé et violent : la destruction par collision violente d’un gros planétesimal relâchant une large quantité de poussières dans le disque. Le point fondamental est ici que les conséquences d’un tel événement peuvent dépasser de loin l’excès initial de poussières produit par la seule destruction du planetesimal : les plus petits grains initialement relâchés sont en effet éjectés par la pression de radiation de l’étoile vers l’extérieur du système et peuvent percuter des grains « au repos » plus loin dans le disque ; ces nouvelles collisions produisant une nouvelle génération de petits grains qui vont eux-mêmes être éjectés vers l’extérieur et impacter en chemin d’autres grains, etc ...

Pour étudier ce mécanisme complexe de réaction en chaîne, un modèle numérique novateur a été mis au point, permettant de suivre à la fois l’évolution dynamique et l’évolution en taille d’un disque de poussières. Les résultats obtenus ont montré que ces « avalanches » collisionnelles sont un mécanisme très efficace, se déployant sous forme de structures spirales dans le système (Figure 1), dont l’amplitude dépend très fortement (quasi-exponentiellement) de la densité de poussière dans le disque. Pour des disques de débris de densité légèrement supérieure à celle du système type qu’est Beta-Pictoris, les asymétries créées par une avalanche collisionnelle pourraient ainsi devenir détectables, sous forme de bras spiraux pour les disques vus de face ou d’asymétries de brillance pour ceux vus par la tranche.

Référence : Collisional Dust Avalanches in Debris Discs (Astronomy & Astrophysics, in press) Grigorieva, Anna, Artymowicz, Pawel, Thébault, Philippe http://xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/0609025

Contact Philippe Thébault (Observatoire de Paris, LESIA et Observatoire de Stockholm)

Dernière modification le 22 février 2013