Les planètes voyous naissent-elles isolément?

J'utilise ici le terme de "planète voyou" pour désigner n'importe quoi de masse au niveau de la planète qui n'est pas en orbite autour d'une étoile. Les discussions populaires sur ces objets les décrivent toujours comme se formant autour d'une étoile puis éjectées par interaction gravitationnelle avec d'autres planètes. Mais j'aurais pensé qu'en principe, ils pourraient se former dans l'espace interstellaire juste par l'effondrement d'un nuage suffisamment petit de poussière et de gaz.

Je me rends compte qu'un petit nuage aura moins d'auto-gravité, et mettrait donc plus de temps à s'effondrer [voir les réponses pour une correction à cette hypothèse] et a plus de chances d'être perturbé par d'autres forces. Mais une analyse théorique a-t-elle été faite de l'objet de masse minimale qui pourrait se former de manière isolée au cours de la durée de vie actuelle de l'univers? Ce serait une coïncidence surprenante de ce seuil minimum étaient la même masse que la masse requise pour la fusion de l'hydrogène.

La masse minimale d'une "planète" formée à partir d'un nuage de gaz (les définitions de ce qu'est une planète sont plutôt glissantes, et certains diraient que ce n'est pas du tout une planète) n'est pas déterminée par le temps disponible. Le processus d'effondrement est rapide - moins d'un million d'années. Il existe cependant une masse minimale, et ce à quoi vous faites référence est ce que l' on appelle la limite de fragmentation .

Un nuage devient instable et s'effondre si sa masse dépasse la masse du jean . La masse de Jeans dépend de la température à la puissance de 3/2 et inversement de la racine carrée de la densité des nuages.

$$M_J \propto \frac{T^{3/2}}{\rho^{1/2}}$$ Lorsqu'un nuage de gaz s'effondre, sa densité augmente. S'il est capable de rayonner efficacement la chaleur, sa température peut rester plus ou moins constante et la masse des jeans diminue . Cela permet au nuage de se fragmenter en petits morceaux.

La masse minimale qui peut s'effondrer isolément sera donc fixée par la plus petite valeur que la masse Jeans peut atteindre au fur et à mesure de l'effondrement. Cette limite de fragmentation est à son tour fixée par le nuage qui devient opaque à son propre rayonnement, ce qui se produit lorsque la densité devient suffisamment importante. À ce stade, le nuage ne peut plus se débarrasser efficacement de toute la chaleur générée à l'intérieur par le travail effectué par gravité pour l'écraser. La température monte et la masse Jeans cesse de diminuer. Maintenant, le nuage peut encore s'effondrer, mais il ne se divisera pas en petits morceaux.

La limite de fragmentation est difficile à calculer avec précision, car elle dépend de la dynamique turbulente 3D d'un nuage qui s'effondre et également de la rotation du nuage. On pense généralement qu'elle se situe entre une et quelques fois la masse de Jupiter (par exemple Whitworth et Stamatellos 2006 ). C'est bien en deçà de la masse minimale pour la fusion de l'hydrogène d'environ 75 masses Jupiter ou la fusion du deutérium d'environ 13 masses Jupiter.

Des preuves que de tels objets peuvent exister peuvent être trouvées dans les réponses aux questions connexes Comment les planètes voyous sont-elles découvertes? et Existe - t-il des preuves tangibles de l'existence de planètes voyous?

Les astronomes appellent le type d'objet que vous décrivez - celui qui s'est condensé à partir d'une nébuleuse isolée mais était trop petit pour subir une fusion d'hydrogène - une naine sub-brune . Ils sont assez difficiles à détecter comme vous pouvez l'imaginer, car ils ne "brillent" qu'avec la chaleur de leur formation, très faiblement dans l'infrarouge (la page Wikipédia en mentionne certains qui tournent autour d'autres étoiles et pourraient donc être classés comme planètes).

Il est théorisé qu'il existe une limite inférieure sur leur masse d'environ 1 masse de Jupiter, car les masses plus petites ne peuvent pas se condenser à partir d'un nuage interstellaire isolément. Quelques naines sous-brunes candidates ont été détectées et répertoriées sur la page Wikipédia liée; l'incertitude de leur masse est élevée (doit être déduite de leur température et de leur âge présumé). WISE-0855 est la naine sous-brune la plus petite, la plus froide et la plus proche isolée jusqu'à présent, estimée à une masse de Jupiter de 3 à 10 fois.