Première simulation de la formation d'une naine brune par effondrement gravitationnel
Les naines brunes fascinent les astronomes depuis des décennies : trop massives pour être des planètes mais insuffisamment pour briller comme des étoiles, leurs origines restent débattues. Se forment-elles comme les étoiles par effondrement gravitationnel de nuages de gaz, ou ressemblent-elles davantage à des planètes géantes ayant acquis d'extraordinaires quantités de matière ? Une équipe de recherche CNRS Terre & Univers (voir encadré) vient de simuler pour la première fois la naissance complète d'une naine brune par effondrement gravitationnel, révélant les propriétés physiques de ces objets mystérieux à leurs débuts.
Pour obtenir ce résultat, les chercheurs ont utilisé le code de calcul RAMSES sur les supercalculateurs français du TGCC et du CBPsmn. Ces simulations 3D de pointe intègrent tous les éléments physiques clés : gravité, rayonnement et champs magnétiques, interagissant à différentes échelles spatio-temporelles. L'équipe a ainsi modélisé l'effondrement de cœurs denses de faible masse (0,05 à 0,1 masse solaire) sur une gamme dynamique considérable, avec 8 ordres de grandeurs en étendue spatiale (1000 unités astronomiques à quelques milliers de kilomètres) et 17 ordres de grandeurs en densités (10^5 à 10^22 particules par centimètre^3). Cette approche auto-cohérente permet de suivre toute la séquence : effondrement isotherme, formation du premier cœur hydrostatique, dissociation de l'hydrogène moléculaire H₂, et finalement la naissance de la naine brune.
Figure 1.
Rendu 3D montrant la surface de la naine brune de la simulation R1 à l'âge de deux semaines. L'échelle de couleur indique l'intensité du champ magnétique radial à la surface. Les lignes de flux vertes représentent les boucles magnétiques fermées, c'est-à-dire les lignes de champ qui bouclent du pôle magnétique nord au pôle magnétique sud à la surface. La flèche rouge indique l'axe du moment angulaire de la naine brune. Les panneaux d'image de gauche et du bas sont des coupes transversales de l'intérieur de la naine brune, montrant respectivement l'amplitude de la densité de courant (gauche) et l'entropie spécifique du gaz (bas). Le panneau d'image de droite affiche l'intensité maximale du champ magnétique le long de la ligne de visée (axe y). La masse et le rayon de la naine brune sont affichés dans le coin supérieur gauche.
Les résultats fournissent l'image la plus détaillée à ce jour de cette formation. Les objets résultants présentent des rayons initiaux d'environ 0,75 rayon solaire et des masses d'environ 0,8 masse de Jupiter, croissant ensuite par accrétion. Point crucial : l'étude révèle que les naines brunes peuvent se former de manière similaire aux étoiles de faible masse, mais avec une phase de premier cœur prolongée, renforçant ainsi le scénario de formation stellaire. Les simulations démontrent également que le champ magnétique implanté dans l'objet naissant atteint environ 1 kilogauss à la surface, avec une structure principalement dipolaire.
Ces travaux fournissent un cadre théorique pour les modèles visant à décrire l'évolution de ces objets de très faible masse. Les chercheurs prévoient maintenant d'analyser la naissance des disques circumstellaires autour de ces objets naissants et d'étudier l'évolution de leurs champs magnétiques.
En images
Visualisation des champs magnétiques à l'intérieur d'une naine brune © Adnan-Ali AHMAD & Alex ANDRIX - CRAL
Simulation 3D de la naissance d’une naine brune par effondrement gravitationnel. Cette vidéo illustre l’évolution temporelle du processus de formation et sa croissance.© Adnan-Ali AHMAD - CRAL
Laboratoires CNRS impliqués
Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (CRAL - OSUL)
Tutelles : CNRS / ENS de Lyon / Université Claude Bernard
Financé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR-22-CE31-0020)
Soutenue par la Fédération de Recherche André-Marie Ampère
Les simulations numériques ont été effectuées au Centre Blaise Pascal de Simulation et Modélisation Numérique (ENS Lyon)
En savoir plus
Ahmad, A. A., Commerçon, B., Chabrier, G., & Borderies, A. (2025). Brown Dwarf Formation Through Gravitational Collapse: Insights From 3D Numerical Simulations. Astrophysical Journal. DOI : 10.3847/2041-8213/ae0640