Le système solaire est une vaste collection désordonnée de débris maintenus ensemble par la gravité. Il est centré sur le Soleil, une étoile moyenne de la Voie lactée, et sur tout ce qui gravite autour d’elle. Nous comptons désormais huit planètes. (Auparavant neuf, si vous attendez toujours Pluton.) Ces planètes ont plus de 400 lunes connues. Ensuite, il y a les astéroïdes, certains avec leurs propres petites lunes. Comètes. Des corps glacés. Et le milieu interplanétaire – une vaste étendue de gaz minces et de poussières qui remplit l’espace vide.
Ce système tout entier se situe à l’intérieur de « l’univers observable ». C’est la partie de l’espace que les humains peuvent réellement voir ou théoriquement observer grâce à la technologie. L’univers au-delà de ça ? Peut-être infini. Nous ne savons pas. Nous savons simplement que notre quartier est limité.
Les anciens astronomes n’avaient pas besoin de satellites. Ils avaient les yeux nus. Ils regardaient le Soleil. La Lune. Les planètes les plus brillantes. Le suivi de leurs mouvements a donné naissance à l’astronomie. Aujourd’hui, nous disposons de suffisamment de données sur le mouvement, les propriétés et la composition des planètes pour remplir les bibliothèques. Nos instruments pointent bien au-delà du système solaire, vers d’autres galaxies et aux confins de l’univers connu.
Mais voici le problème. Le système solaire reste la limite de notre portée physique. C’est aussi le cœur de notre compréhension théorique du cosmos. Nous avons envoyé des sondes et des atterrisseurs pour marcher sur des surfaces et survoler les atmosphères. Ces données rejoignent les mesures des télescopes situés au-dessous et au-dessus de l’atmosphère terrestre. Elle se mélange aux informations provenant de météorites et de roches lunaires rapportées par les astronautes.
Toutes ces informations sont passées au crible pour tenter de comprendre en détail l’origine et l’évolution du système solaire.
Les astronomes font encore de grands progrès vers cet objectif. Nous reconstituons comment tout a commencé.
Composition du système solaire
De quoi est-il fait ? Principalement de l’hydrogène et de l’hélium dans le Soleil. Mais le reste ? Des roches. Glace. Gaz. Poussière. La composition varie énormément selon l’endroit où vous regardez. Plus près du Soleil, c’est rocheux. Plus loin, les glaces dominent. Le milieu interplanétaire lie le tout dans une brume ténue. Nous sommes encore en train de déterminer les ratios et la répartition exacts. Mais nous savons que ce n’est pas uniforme.
Le Soleil n’est pas simplement assis là. Il ancre le système solaire. Plus de 99 % de la masse totale du système réside dans cette seule étoile. Sa gravité met tout le reste en ligne. Sans cela, les planètes dériveraient dans l’obscurité.
La commande est fixée à distance. Mercure est la plus proche. Puis Vénus. La Terre suit. Mars se trouve de l’autre côté de la ceinture d’astéroïdes. Au-delà, les géants prennent le relais. Jupiter. Saturne. Uranus. Neptune.
La plupart de ces mondes ne sont pas solitaires. Jupiter à Neptune portent tous des bagues. Seules Mercure et Vénus manquent de lunes. Les autres hébergent un ou plusieurs satellites.
Pluton est resté dans l’image pendant des décennies. Découverte en 1930, elle se trouvait au-delà de Neptune en tant que neuvième planète. Cela a changé en 1992. Les astronomes ont découvert un objet glacé encore plus loin. Puis il y en a eu d’autres. Et plus encore.
Éris apparut. Il semblait aussi gros que Pluton. Peut-être plus grand.
La réalisation a frappé fort. Pluton n’était pas spécial. Ce n’était qu’un des nombreux objets de grande taille dans une nouvelle population. Ils l’appelaient la ceinture de Kuiper.
Cet amas de corps glacés a forcé une redéfinition. Qu’est-ce qui compte comme planète ?
L’Union astronomique internationale (AIU) est intervenue. Elle détient le pouvoir de classer les objets astronomiques. En août 2006, ils ont voté.
Pluton a perdu son statut. Cela n’a pas été effacé. Il a été reclassé.
Le nouveau label : planète naine.
Pourquoi Pluton a été reclassé
La décision de l’AIU n’était pas arbitraire. C’était une question de cohérence. Si Pluton reste une planète, pourquoi pas Eris ? Pourquoi pas Cérès ? Pourquoi pas les dizaines d’autres grands objets de la ceinture de Kuiper découverts au début des années 2000 ?
La définition compte. Une planète doit dégager son orbite. Pluton partage son voisinage avec d’innombrables autres objets de la ceinture de Kuiper. Cela ne les a pas éliminés. Ce n’est qu’un parmi tant d’autres.
Ce changement met en évidence la manière dont la science se met à jour. Les nouvelles données obligent les anciennes catégories à se briser. Le système solaire n’est pas statique. Notre compréhension ne l’est pas non plus.
La ceinture de Kuiper reste une frontière. Nous n’avons fait qu’effleurer sa surface. D’autres objets attendent probablement d’être trouvés. Chacun ajoute à l’histoire de la formation du système solaire.
La rétrogradation de Pluton n’était pas une perte. C’était une correction. Cela a placé la planète naine dans son propre contexte. Pas comme une valeur aberrante. Mais en tant que membre d’une famille plus nombreuse.
Le système solaire n’est pas seulement un ensemble d’acteurs majeurs. Il est rempli de restes. Tout ce qui n’est pas le Soleil, une planète, une planète naine ou une lune est relégué dans une catégorie fourre-tout : les petits corps du système solaire. Ce groupe comprend les astéroïdes, les météoroïdes et les comètes. Ils constituent le champ de débris de notre voisinage cosmique.
La plupart des plus d’un million d’astéroïdes, également appelés planètes mineures, se trouvent dans un anneau presque plat entre Mars et Jupiter. C’est la ceinture d’astéroïdes. C’est un endroit bondé, mais vide de drame. Ces roches orbitent selon des trajectoires stables et prévisibles, restes de matériaux rocheux qui n’ont pas réussi à fusionner pour former une planète.
Ensuite, il y a les plus petits fragments. Tout ce qui mesure moins de quelques dizaines de mètres de diamètre est souvent appelé météoroïde. Cette distinction est importante. Il sépare les roches spatiales errantes des corps astéroïdiens plus gros. Ces petits voyageurs peuplent l’espace interplanétaire par milliards. Ce sont la poussière et les graviers du système solaire.
Les réservoirs gelés
Les comètes racontent une autre histoire. Il y en a plusieurs milliards qui se cachent dans le noir. Ils traînent dans deux réservoirs distincts. Ce sont les unités de stockage de l’histoire glaciale du système solaire.
Le plus éloigné est le nuage d’Oort. C’est une coquille sphérique entourant tout le système solaire. Il se trouve à une distance stupéfiante d’environ 50 000 unités astronomiques (UA). Pour mettre cela en perspective, cela représente plus de 1 000 fois la distance de l’orbite de Pluton. Une unité astronomique correspond à la distance moyenne entre la Terre et le Soleil, soit environ 150 millions de kilomètres. Le nuage d’Oort est une prison froide et sombre pour les comètes à longue période.
L’autre réservoir est plus proche. C’est la ceinture de Kuiper. Il s’agit d’une zone épaisse en forme de disque. Sa concentration principale s’étend de 30 à 50 UA du Soleil. Il se situe au-delà de l’orbite de Neptune. Il comprend même une partie de l’orbite de Pluton. La ceinture de Kuiper abrite des comètes à courte période et des planètes naines glacées.
Mondes glacés et dérive gravitationnelle
Tout comme les astéroïdes sont des débris rocheux provenant des planètes intérieures, les objets de la ceinture de Kuiper sont leurs homologues glacés. Pluton, sa lune Charon, Eris et d’innombrables autres sont des représentants survivants des corps glacés qui formaient les noyaux de Neptune et d’Uranus. Ce sont les éléments constitutifs qui ont été balayés ou éjectés.
En raison de cette origine, Pluton et Charon peuvent être considérés comme de très gros noyaux de comètes. Ce sont essentiellement des boules de neige sales qui n’ont jamais été suffisamment chaudes pour s’évaporer.
Ensuite, il y a les Centaures. Il s’agit d’une population de noyaux de comètes dont le diamètre peut atteindre 200 km. Ils tournent autour du Soleil entre Jupiter et Neptune. Ils sont instables. Ils y sont probablement arrivés en étant perturbés gravitationnellement vers l’intérieur de la ceinture de Kuiper. Ce sont des dériveurs cosmiques, pris entre les géants.
Le milieu entre ces objets n’est pas vide. C’est le milieu interplanétaire. Il s’agit d’un plasma extrêmement ténu. Il s’agit d’un gaz ionisé contenant des concentrations de particules de poussière. Il s’étend vers l’extérieur du Soleil jusqu’à environ 123 UA. C’est le fluide invisible de l’espace.
Invités d’ailleurs
Le système solaire contient même des objets de l’espace interstellaire. Ils ne font que passer. Ils n’appartiennent pas bien à la gravité de notre soleil. Deux de ces objets interstellaires ont été observés. Cela change tout ce que nous pensions de l’isolement de notre quartier.
Le premier était ‘Oumuamua. Il est arrivé en 2017 avec une forme inhabituelle. C’était comme un cigare ou une crêpe. Il a dégringolé dans l’espace. Il s’agissait peut-être de glace azotée. Les scientifiques débattent de son origine depuis des années
Pourquoi les orbites ne sont pas des cercles parfaits
Regardez le ciel nocturne et vous pourriez supposer que tout tourne autour du Soleil en boucles nettes et bien rangées. Ce n’est pas le cas. Les planètes, les planètes naines, les astéroïdes et même les voyageurs glacés de la ceinture de Kuiper, se déplacent tous selon des ellipses. Ils se déplacent dans la même direction que la rotation du Soleil. Les astronomes appellent cela un mouvement prograde, ou direct. Si vous pouviez flotter au-dessus du pôle Nord de la Terre et regarder vers le bas, l’ensemble du système solaire semblerait tourner dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.
C’est une danse uniforme et ordonnée.
Sauf les comètes du nuage d’Oort. Ce sont les valeurs aberrantes. Ils viennent de toutes les directions. Leurs orbites sont aléatoires, reflétant une distribution sphérique qui entoure le plan plat des planètes. Ils ne se soucient pas de l’écliptique. Ils se présentent simplement.
La géométrie de l’espace
Comment mesurons-nous ces chemins ? Excentricité. C’est un nombre qui vous indique l’étendue d’une orbite. Zéro signifie un cercle parfait. L’une est une parabole, ce qui signifie essentiellement que l’objet ne reviendra jamais.
Vénus et Neptune ont les orbites les plus circulaires de toutes. Leurs excentricités sont minuscules : 0,007 et 0,009. Mercure est le contraire. C’est la planète la plus proche du Soleil et sa trajectoire est très allongée avec une excentricité de 0,21. Pluton est encore plus étrange, assis à 0,25.
Ensuite, il y a l’inclinaison. Il s’agit de l’angle de l’orbite par rapport au plan orbital de la Terre. Mercure gagne également ici, en inclinant sa trajectoire de 7 degrés. Pluton est en désordre, incliné à 17,1 degrés. La plupart des petits corps ont des excentricités et des inclinaisons élevées. Certaines comètes du nuage d’Oort s’inclinent si loin que leur inclinaison dépasse 90 degrés. Ils orbitent en rétrograde. En arrière. À contre-courant.
La grande fracture : la roche contre le gaz
Les huit planètes ne constituent pas un monolithe. Ils se sont divisés en deux camps en fonction de la densité.
Le quatuor intérieur – Mercure, Vénus, Terre et Mars – est terrestre. Ils sont rocheux. Leur densité est supérieure à 3 grammes par centimètre cube. Pour le contexte, l’eau représente 1 gramme par centimètre cube. Ce sont des mondes solides.
Les géants extérieurs – Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune – racontent une histoire différente. Ils sont énormes. Leur densité est inférieure à 2 grammes par centimètre cube. Jupiter et Saturne sont principalement constitués d’hydrogène et d’hélium. Uranus et Neptune se mélangent dans la glace et la roche. Ce sont les planètes joviennes ou géantes.
Pluton se trouve maladroitement au milieu. C’est un corps glacé de faible densité. Elle est plus petite que la Lune terrestre. Cela ressemble plus à une comète ou à une grande lune glacée qu’à une planète. Le classer comme objet de la ceinture de Kuiper donne un sens à ses anomalies. Cela appartient aux débris glacés, pas aux planètes géantes.
Boucliers et atmosphères
Les petites planètes intérieures ont des surfaces solides. Ils manquent de systèmes d’anneaux. Ils ont peu ou pas de lunes. Leurs atmosphères sont épaisses de composés oxydés comme le dioxyde de carbone.
La Terre est l’anomalie parmi eux. Il possède un champ magnétique puissant. Ce champ agit comme un bouclier contre le milieu interplanétaire. Il piège les particules chargées électriquement dans une région appelée magnétosphère. À l’intérieur de cette magnétosphère se trouvent les ceintures de Van Allen. Ce sont des zones de particules à haute énergie.
Pourquoi la Terre a-t-elle ce bouclier et les autres pas ? Le texte ne le dit pas. Mais c’est important. Sans cette magnétosphère, l’atmosphère aurait probablement disparu depuis longtemps. Les planètes intérieures sont exposées. La Terre porte une armure. Les planètes extérieures dépendent de leur masse pour retenir leur hydrogène et leur hélium. Pluton compte sur le fait d’être loin et froid. Le système solaire est un ensemble de différentes stratégies de survie.
La complexité cachée du système solaire externe
Oubliez tout ce que vous savez sur la terre ferme. Les quatre géantes gazeuses – Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune – sont massives. Leurs atmosphères sont constituées d’épaisses couvertures d’hydrogène et d’hélium qui s’étendent jusqu’à des profondeurs écrasantes. Il n’y a aucune surface sur laquelle se tenir debout. Juste des couches de gaz qui deviennent de plus en plus denses jusqu’à ce qu’elles se transforment en fluides exotiques sous une pression extrême.
Leurs densités sont si faibles que Saturne, si l’on pouvait trouver une baignoire assez grande, flotterait. Ils partagent également d’autres traits : champs magnétiques, systèmes d’anneaux et armées de lunes. Nous en trouvons encore de nouveaux. Pluton, autrefois considérée comme la neuvième planète, se situe en marge. Il a cinq lunes connues et aucun anneau. Mais ce n’est pas seul. D’autres objets de la ceinture de Kuiper et même certains astéroïdes possèdent leurs propres satellites.
Ces lunes ne sont pas que des rochers. Ce sont des mondes. La plupart orbitent dans la même direction que leurs planètes autour du Soleil. Mais leurs environnements ? Très différent.
Io, l’une des lunes de Jupiter, est un cauchemar volcanique. C’est le corps volcanique le plus actif du système solaire. La lave coule constamment.
Le Titan de Saturne est plus gros que Mercure. Elle possède une atmosphère dense, plus épaisse que celle de la Terre, remplie d’azote et de méthane. Il pleut des hydrocarbures liquides à sa surface.
Ensuite, il y a Triton, en orbite autour de Neptune en arrière. Orbite rétrograde. Il se déplace à l’opposé de la rotation de Neptune. Cela suggère qu’il a été capturé et non formé sur place. Sa surface est de 37 kelvins. C’est -393°F. Des geysers d’azote jaillissent de sa croûte glacée dans une fine atmosphère.
Astéroïdes et comètes
D’où viennent les astéroïdes ?
Les astéroïdes sont des restes rocheux issus de la formation du système solaire. Ils se trouvent principalement dans la ceinture d’astéroïdes entre Mars et Jupiter. Mais certains s’éloignent de la Terre.
Les comètes sont différentes. Ce sont des boules de terre glacées. Lorsqu’ils se rapprochent du Soleil, ils se réchauffent. Du gaz et de la poussière s’échappent, créant une coma rougeoyante et une queue qui pointe vers le Soleil.
Pourquoi est-ce important ? Parce que ces petits corps détiennent des indices. Ils n’ont pas beaucoup changé depuis le début du système solaire, il y a 4,6 milliards d’années. Leur étude nous apprend comment les planètes se sont formées. Comment l’eau est arrivée sur Terre. Comment la vie aurait pu commencer.
Comment se forment les lunes ?
La plupart des lunes se forment aux côtés de leurs planètes à partir du même disque tourbillonnant de gaz et de poussière. Mais pas tous.
L’orbite arrière de Triton prouve qu’il ne s’est pas formé avec Neptune. Il a été saisi par la gravité de la planète. Les événements collisionnels peuvent également créer des lunes. La Lune terrestre s’est probablement formée après qu’un corps de la taille de Mars ait heurté notre jeune planète. Les débris se sont regroupés dans la Lune que nous voyons aujourd’hui.
Certaines lunes, comme Amalthée de Jupiter, sont irrégulières. Ils sont petits, de forme irrégulière et orbitent loin de leur planète. Il pourrait s’agir d’astéroïdes capturés.
De quoi sont constitués les systèmes d’anneaux ?
On considère souvent les bagues comme étant solides. Ce n’est pas le cas. Ce sont des milliards de minuscules particules. Glace et roche. Chaque particule orbite indépendamment.
Les anneaux de Saturne sont les plus visibles. Il s’agit principalement de glace d’eau. Certains sont de la poussière, d’autres sont des morceaux plus gros. Les anneaux sont minces – parfois seulement 10 mètres d’épaisseur – mais larges. Ils s’étendent sur des centaines de milliers de kilomètres.
Jupiter, Uranus,
Les astéroïdes et les comètes sont des restes. Ce sont les débris de l’époque chaotique où les planètes s’assemblaient dans le système solaire interne et externe. La ceinture d’astéroïdes est un cimetière de corps rocheux.
Les tailles varient énormément.
Au sommet se trouve Cérès. C’est énorme, s’étendant sur environ 940 km (585 miles). L’AIU la classe désormais comme planète naine, mais elle correspond à la description physique d’un gros astéroïde. En dessous ? Tout se résume à de la poussière microscopique. La ceinture est remplie de particules dérivant dans l’espace.
Certaines de ces roches traversent l’orbite terrestre.
Cette proximité crée des risques. Les impacts importants sont rares mais catastrophiques. Les objets de plus de 1 km (0,6 mile) transportent suffisamment d’énergie pour dévaster la planète. Nous avons vu le résultat il y a 65 millions d’années. Une frappe d’astéroïde a déclenché l’extinction massive qui a anéanti les dinosaures.
Les objets plus petits frappent beaucoup plus souvent.
Ils brûlent dans l’atmosphère ou atterrissent sous forme de météorites. La plupart du temps, ils causent peu de dégâts. Mais ceux qui atteignent la surface offrent des indices.
De quoi sont faits les astéroïdes ?
Nous les avons étudiés depuis la Terre. Nous avons envoyé des vaisseaux spatiaux pour les survoler. Les données sont cohérentes.
Les astéroïdes ne sont pas uniformes.
- Certains sont métalliques. Ce sont principalement du fer.
- D’autres sont pierreux.
- Un troisième groupe est riche en composés organiques.
Ces météorites riches en carbone ressemblent à des météorites chondrites carbonées. Ils contiennent les éléments constitutifs de la vie.
Les visites de vaisseaux spatiaux en révèlent davantage.
Les surfaces sont irrégulières. Ils sont grêlés de cratères. Cela suggère une histoire violente. Ils sont bombardés depuis des milliards d’années.
Pourquoi ils comptent maintenant
Ces corps sont des capsules temporelles.
Ils ont conservé du matériel primitif du premier système solaire. Ils n’ont pas beaucoup changé depuis la formation des planètes. Leur étude nous apprend comment la Terre et ses voisines sont nées.
Mais il y a aussi le danger.
Les mêmes objets qui préservent l’histoire ancienne peuvent effacer la civilisation moderne. Nous les suivons non seulement pour des raisons scientifiques, mais aussi pour leur survie. Les astéroïdes géocroiseurs nous le rappellent constamment. Le processus de construction de la planète ne s’est pas arrêté là. Il a laissé derrière lui des outils capables de créer des mondes. Ou détruisez-les.
La frontière entre trésor scientifique et menace existentielle est mince. Elle se mesure en kilomètres et en vitesse d’impact. Nous les surveillons de près. Nous l’avons toujours fait.
La plupart des gens imaginent les astéroïdes comme des décombres rocheux et les comètes comme des boules de neige glacées. Cette distinction résiste à un examen minutieux. Les noyaux des comètes sont fondamentalement différents de leurs homologues rocheux. La glace d’eau domine leur composition. Vous trouvez également du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone et du méthanol congelés mélangés au gel. Ce ne sont pas de pures sphères de glace. Ils sont chargés de poussière de roche et d’une riche variété de composés organiques. Certains grains sont minuscules. Certaines comètes pourraient contenir plus de saleté que de glace. Ce mélange compte. Il nous raconte comment les premiers systèmes solaires ont accumulé de la matière.
Comètes à longue période et nuage d’Oort
Les comètes sont classées en catégories en fonction de leur période orbitale. C’est le temps qu’il leur faut pour faire le tour du Soleil. Les comètes à longue période mettent plus de 200 ans pour parcourir un tour. Cela prend souvent des millions d’années. Ces voyageurs viennent du nuage d’Oort. Il s’agit d’une coque sphérique entourant le système solaire. Les noyaux y sont de forme irrégulière. Ils ne font que quelques kilomètres de diamètre.
Ils passent la majeure partie de leur existence dans des conditions de congélation. Ils se trouvent à d’immenses distances du Soleil. Nous parlons d’un cinquième du chemin jusqu’à l’étoile la plus proche. Nous ne pouvons pas les voir depuis la Terre. Leur présence est déduite de l’observation de leurs orbites. Ces orbites sont hautement elliptiques. L’excentricité est proche de un. Lorsqu’ils s’approchent enfin du Soleil, ils le contournent et repartent.
Leurs chemins peuvent être inclinés dans n’importe quelle direction. Ce caractère aléatoire confirme que le nuage d’Oort est sphérique. C’est un vaste réservoir de matière primordiale. Nous n’avons pas atterri sur ces objets. Nous ne les avons pas touchés. Nous ne les voyons que lorsque la gravité les perturbe vers l’intérieur.
Comètes à courte période et ceinture de Kuiper
Les comètes à courte période reviennent plus rapidement. Il leur faut moins de 200 ans pour orbiter. Beaucoup reviennent toutes les quelques décennies. Leur source est différente. C’est la ceinture de Kuiper. Cette région se situe au-delà de Neptune. Il est beaucoup plus proche que le nuage d’Oort. Il se situe dans le plan du système solaire.
Les comètes d’ici suivent des règles différentes. Ils se déplacent sur des orbites plus rondes. Ils sont progrades, c’est-à-dire qu’ils orbitent dans la même direction que les planètes. Leurs périodes sont souvent de 20 ans ou moins. La ceinture de Kuiper a été photographiée. De grands télescopes ont capturé des images de ses noyaux. Ces objets sont plus accessibles que ceux du cloud d’Oort. Ils restent pourtant distants.
Le contraste entre ces deux populations est frappant. Les comètes à longue période arrivent de toutes les directions. Les comètes à courte période restent proches du plan de l’écliptique. Cette séparation suggère des histoires de formation distinctes. Ou du moins des emplacements de stockage distincts. La ceinture de Kuiper est plus proche. Nous pouvons le voir. Le nuage d’Oort est théorique basé sur la mécanique orbitale. C’est trop éloigné pour l’observer directement.
Pourquoi est-ce important ? La composition de ces noyaux contient des indices sur la formation planétaire. Les matières organiques présentes dans les comètes pourraient avoir ensemencé la Terre au début. L’eau pourrait provenir de ces corps glacés. Comprendre d’où ils viennent nous aide à comprendre d’où nous venons. Nous sommes encore en train de reconstituer la carte du système solaire externe. La ceinture de Kuiper est visible. Le nuage d’Oort reste caché. Nous attendons que le prochain visiteur sorte de l’obscurité.
Les traînées de débris des comètes et du vent solaire
Les comètes ne traînent pas seulement dans le noir. Lorsqu’ils se rapprochent du Soleil, la chaleur les frappe durement. Ce n’est pas un échauffement doux. Les noyaux rejettent des gaz et des poussières. Ce matériau s’épanouit en comas flous et s’étire en longues queues vaporeuses. Le gaz s’éloigne dans le vide. Les grains de poussière restent cependant sur place. Les silicates et les composés organiques gravitent autour du Soleil sur des trajectoires presque identiques à celles de la comète mère.
Cela crée une piste. Un ruban de débris.
Lorsque l’orbite terrestre traverse l’un de ces rubans poussiéreux, nous obtenons une pluie de météores. Les observateurs nocturnes pourraient voir des dizaines ou des centaines d’étoiles filantes par heure. Les grains de poussière brûlent dans la haute atmosphère. C’est un spectacle. Mais ce n’est pas aléatoire. Bien que nous voyons des météores aléatoires chaque nuit, leur fréquence augmente lors de ces événements. Même au cours d’une journée moyenne, l’atmosphère terrestre est bombardée par plus de 80 tonnes de poussière. Il s’agit en grande partie de débris astéroïdiens ou cométaires. Nous nageons constamment à travers les restes de notre système solaire.
Le milieu interplanétaire
L’espace n’est pas vide. Il est rempli de bien plus que de simples débris.
L’espace entre les planètes contient des protons, des électrons et des ions. Ce sont les éléments abondants qui s’échappent du Soleil. Ils forment le vent solaire. Parfois, des éruptions solaires géantes éclatent à la surface du Soleil. Ces éruptions de courte durée expulsent de la matière et des rayonnements de haute énergie. Cela ajoute au mélange. C’est le milieu interplanétaire.
En 2012, Voyager 1 a franchi une frontière. Il est passé du milieu interplanétaire au milieu interstellaire. Cette limite s’appelle l’héliopause. Depuis son passage, Voyager 1 mesure les propriétés de l’espace interstellaire. C’est le premier objet fabriqué par l’homme à quitter notre bulle.
Premières tentatives pour expliquer nos origines
Plus nous obtenons de données sur les planètes, les lunes, les comètes et les astéroïdes, plus il devient difficile d’expliquer d’où tout vient. Les théories anciennes étaient vagues. Ils n’étaient pas limités par les faits.
Une approche scientifique n’est devenue possible qu’après qu’Isaac Newton a publié ses lois du mouvement et de la gravitation en 1687. C’était le fondement. Mais même alors, les scientifiques ont eu du mal. Il a fallu des années pour appliquer les lois de Newton aux mouvements apparents des planètes et des comètes.
En 1734, un philosophe suédois nommé Emanuel Swedenborg proposa un modèle. Il a suggéré qu’une coquille de matière autour du Soleil s’était brisée en morceaux. Ces morceaux formaient les planètes. C’était une des premières idées du système solaire se formant à partir d’une nébuleuse originale.
Immanuel Kant a étendu cette idée en 1755. Le philosophe allemand s’est appuyé sur le concept de Swedenborg. Il a lancé une chaîne de pensée qui dominera pendant un siècle.
L’hypothèse nébulaire de Kant-Laplace
L’idée centrale de Kant était simple. Le système solaire a commencé comme un nuage de particules dispersées. L’attraction gravitationnelle mutuelle les a amenés à bouger et à entrer en collision. Les forces chimiques les maintenaient liés ensemble.
Les agrégats plus gros ont connu une croissance plus rapide. Ils ont ramené plus de matériel. Finalement, ils ont formé des planètes.
Kant n’était ni un physicien ni un mathématicien. Il n’a pas compris les limites de sa propre approche. Son modèle ne tenait pas compte de la raison pour laquelle les planètes se déplacent dans la même direction et dans le même plan. Cela ne pouvait pas non plus expliquer la révolution des satellites planétaires. C’était incomplet.
Une avancée significative a été réalisée 40 ans plus tard. Le Français Pierre-Simon Laplace était un brillant mathématicien. Il s’est spécialisé en mécanique céleste. Il a publié un traité monumental sur le sujet. Il a également écrit un livre d’astronomie populaire. Dans une annexe, il a proposé des suggestions sur l’origine du système solaire.
Le modèle de Laplace partait d’un Soleil déjà formé. Il tournait. Son atmosphère s’étendait au-delà de la distance où se formerait la planète la plus éloignée. Laplace ne connaissait pas la source d’énergie des étoiles. Il supposait que le Soleil se refroidirait en rayonnant de la chaleur.
À mesure que le Soleil se refroidissait, la pression du gaz diminuait. Le Soleil s’est contracté. La conservation du moment cinétique est entrée en jeu. Une diminution de la taille signifiait une augmentation de la vitesse de rotation. L’accélération centrifuge a poussé la matière atmosphérique vers l’extérieur. La gravité l’a tiré vers le centre. Lorsque ces forces se sont équilibrées, un anneau de matière a été laissé derrière lui. Il se trouvait dans le plan de l’équateur du Soleil.
Ce processus s’est répété. Plusieurs anneaux concentriques se sont formés. Chaque anneau s’est fusionné pour former une planète. Les lunes proviennent d’anneaux similaires produits par les planètes en formation.
Le modèle de Laplace explique pourquoi les planètes tournent autour du Soleil dans le même plan et dans la même direction. Il incorporait l’idée de Kant de fusionner la matière. Les deux approches ont fusionné. Elles sont devenues l’hypothèse nébulaire de Kant-Laplace.
Cela a été largement accepté pendant environ 100 ans.
Mais le système solaire a des bizarreries. L’apparente régularité des mouvements a été contredite par les découvertes. Des astéroïdes aux orbites très excentriques ont été découverts. Des lunes aux orbites rétrogrades ont été découvertes. Ceux-ci ne correspondaient pas aux bagues soignées.
Un autre problème était la masse et l’élan. Le Soleil contient 99,9 pour cent de la masse du système solaire. Les planètes, principalement les quatre géantes extérieures, transportent plus de 99 % du moment cinétique. Pour que la théorie de Kant-Laplace soit valable, soit le Soleil doit tourner plus vite, soit les planètes doivent se déplacer plus lentement autour de lui. Ce n’est pas le cas. Les calculs ne correspondent pas vraiment.
Au début des années 1900, les scientifiques en avaient fini avec l’hypothèse nébulaire. Ils ont vu trop de défauts dans l’ancien modèle. Thomas Chrowder Chamberlin et Forest Ray Moulton en Amérique se sont lancés dans cette démarche. Plus tard, les physiciens britanniques James Jeans et Harold Jeffreys ont ajouté leur propre version. Ils ont proposé une origine catastrophique. L’idée était simple mais violente. Le Soleil a eu une rencontre rapprochée avec une autre étoile.
Lorsque ces deux corps se sont rapprochés, la gravité a extrait la matière de leur atmosphère. Ce truc a dérivé. Finalement, tout s’est regroupé. Cet amas est devenu des planètes.
Il y avait cependant un problème majeur avec cela. Si la formation des planètes nécessitait une quasi-collision entre étoiles, elle devait être incroyablement rare. Les étoiles sont éloignées les unes des autres. Les rencontres rapprochées sont rares. Si cette théorie était vraie, les systèmes solaires de la Voie lactée devraient être pratiquement inexistants. Cela ne correspondait pas à la réalité.
Le problème du gaz
Le prochain grand changement s’est produit au milieu du 20e siècle. Les scientifiques ont enfin compris comment se forment les étoiles. Ils ont également maîtrisé la dynamique des gaz autour des étoiles. La conclusion était brutale. Les gaz chauds extraits de l’atmosphère stellaire n’attendent pas de se condenser. Cela se dissipe. Il s’étend dans le vide. Il ne forme jamais de planètes.
Le modèle de rencontre stellaire était mort.
La connaissance du milieu interstellaire a tout changé. C’est le gaz et la poussière qui flottent entre les étoiles. Les chercheurs ont réalisé que ces nuages sont volumineux. Ils sont denses. Les étoiles ne naissent pas dans le vide. Ils se forment à l’intérieur de ces nuages. Par conséquent, les planètes doivent se former au cours de ce même processus. Ce n’était pas un événement distinct. Cela faisait partie de la naissance de la star.
Les scientifiques sont revenus à l’essentiel. Ils se sont penchés sur de vieilles idées d’Emmanuel Kant et de Pierre-Simon Laplace. Les nouvelles données soutiennent certains de ces concepts plus anciens et plus doux.
Le consensus moderne
Aujourd’hui, nous considérons l’origine du système solaire comme une formation d’étoiles standard. Le champ s’est considérablement rétréci. Nous disposons de plus de données d’observation que jamais. Nous observons les régions de formation d’étoiles dans les nuages interstellaires géants. Nous analysons les empreintes chimiques laissées dans les objets existants du système solaire. Les modèles plausibles se sont réduits à quelques candidats solides.
Alistair G.W. Cameron, un astrophysicien américain né au Canada, a joué un rôle central dans cette perspective moderne. Son travail a contribué à déplacer l’attention des accidents catastrophiques vers des processus graduels et inhérents.
Formation de la nébuleuse solaire
L’histoire standard de la naissance de notre système solaire est bien plus dynamique que ne le suggère une image statique. Cela commence par un énorme nuage de gaz et de poussière, loin d’être aussi énorme que le Soleil que nous avons aujourd’hui. Seulement dix à vingt pour cent de la masse actuelle du Soleil. C’est ça. Une petite parcelle du milieu interstellaire.
Qu’est-ce qui déclenche l’effondrement ? Cela pourrait être dû au hasard. Fluctuations aléatoires de la densité au sein du nuage. Une touffe devient suffisamment lourde pour attirer ses voisines. Ou peut-être que quelque chose d’extérieur force le problème. Une onde de choc provenant d’une supernova proche. La physique ne se soucie pas du déclencheur, seulement du résultat.
La gravité prend le dessus. Le nuage s’effondre vers l’intérieur. Il ne reste pas longtemps. Puisque le tout tourne autour du centre de la Voie Lactée, les bords extérieurs se déplacent plus lentement que les bords intérieurs. Des forces de cisaillement entrent en jeu. Le nuage commence à tourner. Et à mesure qu’elle rétrécit, cette rotation s’accélère. La conservation du moment cinétique est une règle stricte. Tournez plus vite à mesure que vous devenez plus petit.
Cette rotation change la forme. La gravité tire vers l’intérieur. La force centrifuge pousse vers l’extérieur. Mais ils ne se battent pas de la même manière dans toutes les directions. La gravité gagne facilement perpendiculairement à l’axe de rotation. La matière tombe vers le centre. Cependant, le long du plan de rotation, la force centrifuge riposte durement. Il résiste à l’effondrement.
Le nuage s’aplatit. Cela devient un disque. Une crêpe de matière qui tourne. Au centre, tout s’accumule. Une condensation dense se forme. Cela correspond à la structure de base du modèle nébulaire de Laplace, mais avec une rigueur astrophysique moderne. Nous ne nous contentons plus de deviner. Nous suivons la dynamique des fluides d’un disque protostellaire en effondrement.
Pourquoi le système solaire est un disque aplati
La géométrie ici n’est pas négociable. Si vous voulez construire une planète, vous avez besoin d’un avion. Vous ne pouvez pas former de planètes dans une sphère chaotique si le matériau a un moment cinétique. La structure du disque détermine l’endroit où se forment les planètes. Cela dicte l’angle de leurs orbites. La plupart des grandes planètes orbitent presque dans le même plan en raison de cet aplatissement initial.
La condensation centrale devient le Soleil. Mais le disque reste. C’est la nébuleuse solaire. Le contenu du disque est l’endroit où se déroule le reste de l’histoire. Les grains de poussière entrent en collision. Ils restent ensemble. Ils grandissent. Mais cela demande du temps. Et un environnement stable. Le disque fournit cela.
Le rôle du moment angulaire dans la formation planétaire
Le moment angulaire est la main invisible. Sans cela, vous obtenez une étoile et rien d’autre. Ou peut-être une étoile entourée d’une coquille sphérique qui ne se stabilise jamais. L’aplatissement est essentiel à l’accrétion. Cela permet à la matière de fusionner efficacement.
Considérez la barrière centrifuge. Cela empêche la matière de tomber directement au centre. Au lieu de cela, la matière tourne. Il reste sur le disque. Ce matériau en orbite est le combustible brut des planètes. Lunes. Astéroïdes. L’architecture entière du système solaire dépend de cette rotation initiale.
La masse initiale était petite. Dix à vingt pour cent du Soleil. Mais la gravité s’amplifie. Il prend une petite graine et la transforme en étoile. Et ce faisant, cela crée le terrain pour tout le reste. Le disque n’est pas seulement un débris. C’est le fondement.
“Il en résulte à ce stade, comme dans le modèle de Laplace, un disque de matière formé autour d’une condensation centrale.”
Nous sommes
Comment la nébuleuse solaire a construit les planètes
La nébuleuse solaire n’était pas qu’un nuage aléatoire. Il s’agissait d’un disque aplati, reflétant la forme des galaxies spirales, mais dans une version minuscule, à l’échelle humaine, aux proportions cosmiques. À mesure que le gaz et la poussière s’effondraient vers le centre, l’énergie potentielle se transformait en énergie cinétique. La chaleur monta en flèche. Finalement, la condensation centrale est devenue suffisamment chaude pour déclencher la fusion nucléaire. Le Soleil est né.
Pendant ce temps, le reste du contenu de ce disque ne restait pas immobile. Il est entré en collision. C’est resté coincé. Cela a grandi.
La plupart de ces grains partageaient des orbites presque identiques. Les collisions étaient douces. Pas celui qui brise les roches, mais celui qui leur permet de se lier. Les petites touffes sont devenues de plus grosses touffes. Ce processus, qui rappelle les premières théories d’Emmanuel Kant, a progressivement permis de construire des objets plus grands à partir du chaos.
La ligne de neige et la séparation des planètes
C’est ici que la configuration du système solaire tire son architecture. La température baissait avec l’éloignement de la masse centrale chaude. Ce dégradé créait une ligne dure dans le sable – ou plutôt dans la glace.
Près du Soleil, il faisait trop chaud pour que l’eau gèle. Mais à environ 5 unités astronomiques (UA) – la distance de Jupiter actuel et au-delà – l’eau pourrait se condenser en glace. Ce n’était pas un détail mineur. L’eau est la deuxième molécule la plus abondante dans l’univers, derrière l’hydrogène moléculaire. Là où l’eau pouvait geler, les matières solides étaient abondantes.
Les objets formés dans cette zone froide avaient un buffet de solides à manger. Ils sont devenus massifs rapidement. Lorsqu’un corps en accrétion heurtait environ dix fois la masse de la Terre, sa gravité devenait suffisamment forte pour capter l’hydrogène et l’hélium. Ce sont les éléments les plus légers et les plus abondants qui existent. Les planètes de cette zone extérieure n’ont pas seulement fait pousser des roches ; ils ont développé des atmosphères. Ils sont devenus des géants.
À l’intérieur de l’orbite de Jupiter, l’histoire était différente. Les planètes intérieures se sont formées sous une chaleur trop intense pour que les substances volatiles restent dans les parages. Eau, dioxyde de carbone, ammoniac, ils sont restés gazeux. Ils ont explosé. Les planètes intérieures sont restées petites. Rocheux. Dense.
Les astronomes appellent la limite où la glace d’eau peut former la « ligne de neige ». Il se trouve à une température d’environ 150 Kelvin (-190 °F). À l’intérieur de cette ligne ? Silicates. Grains métalliques. Des roches. Dehors? Glace. Le gradient de densité est encore visible aujourd’hui. La Lune terrestre, composée de minéraux silicatés, a une densité de 3,3 grammes par centimètre cube. Téthys, la lune de Saturne ? C’est principalement de la glace d’eau. La densité est d’environ 1 gramme par centimètre cube.
Fissures dans le modèle traditionnel
Cela semble logique. Cela correspond aux données. Alors pourquoi ce modèle a-t-il été confronté à de sérieux défis depuis le début des années 1990 ?
Deux problèmes principaux ont brisé ce récit simple.
Premièrement, les découvertes d’exoplanètes. Nous avons trouvé d’autres systèmes solaires avec des planètes géantes en orbite très près de leurs étoiles. Jupiters chauds. Ils ne devraient pas exister si le modèle de la nébuleuse solaire s’en tient strictement aux gradients de température. S’ils se sont formés là où il fait froid et ont migré vers l’intérieur, cela ajoute une couche de complexité qui manque à l’image simple de Kant-Laplace.
Deuxièmement, la mission du vaisseau spatial Galileo vers Jupiter. Les données ont montré quelque chose d’inattendu. L’atmosphère de Jupiter est enrichie en argon et en azote moléculaire. Ces gaz nécessitent des températures de 30 Kelvin (-400 °F) ou moins pour se condenser et être piégés dans des corps glacés. C’est beaucoup plus froid que la limite de neige traditionnelle. Cela suggère que le noyau de Jupiter s’est formé beaucoup plus loin que nous le pensions, ou que la première nébuleuse solaire était nettement plus froide que ce que prédisaient les modèles.
Des ajustements ultérieurs de la théorie suggèrent que la température près du plan central de la nébuleuse aurait pu être d’environ 25 Kelvin. Plus frais que ce que nous avions estimé. Mais le mystère n’est pas entièrement résolu.
La vitesse de formation
Malgré ces pépins, le cœur du modèle de nébuleuse solaire tient le coup. Les observations infrarouges et radio de jeunes étoiles confirment la présence de disques de matière. Et ils confirment la vitesse.
La formation des planètes n’est pas un processus tranquille. C’est frénétique.
Un nuage interstellaire s’effondre en un disque en un million d’années environ. Mais les particules solides n’attendent pas. Ils s’installent dans le plan médian. Rapide.
Pour une particule de 1 micromètre, la sédimentation prend 100 000 ans. Pour un galet de 1 centimètre ? Seulement 10 ans.
À mesure que le plan médian devient plus dense, les collisions se produisent plus souvent. La croissance s’accélère. Les champs gravitationnels se renforcent. Le calcul est brutal mais efficace. Des objets de 10 kilomètres de diamètre – les planétésimaux, éléments constitutifs des mondes – se forment en seulement 1 000 ans.
Nous nous retrouvons avec un univers qui construit des mondes en un clin d’œil cosmique, même si nous ne savons pas encore exactement comment les pièces s’emboîtent. Le disque s’effondre. La chaleur monte. La glace se forme. Et quelque part dans ce chaos, une planète commence à se ressaisir.
Le chaos avancé de la construction de la planète
L’accrétion ne s’arrête pas lorsqu’une planète atteint sa taille finale. Cela continue. Et ça devient violent. L’énergie libérée lors de ces impacts avancés est suffisante pour vaporiser la roche et faire fondre des croûtes entières. Le matériau primitif et condensé qui a déclenché le processus est complètement brouillé.
Les modèles théoriques suggèrent que plusieurs corps de la taille de la Lune et de Mars – des embryons planétaires – se sont formés aux côtés des planètes que nous voyons aujourd’hui. Lorsque ces géants sont entrés en collision avec des planètes en croissance, les résultats ont été désastreux. C’est probablement la raison pour laquelle Mercure a une densité si étrangement élevée. Ou pourquoi Vénus tourne si lentement en arrière. La Terre ne s’est pas échappée non plus. Un embryon de la taille de Mars a percuté notre planète, éjectant des débris qui ont fini par fusionner sur la Lune. Des impacts plus petits sur Mars ont dilué son atmosphère jusqu’à l’état vaporeux que nous voyons aujourd’hui.
Le temps n’a pas beaucoup aidé avec la chaleur. Les isotopes des éléments radioactifs à courte durée de vie présents dans les échantillons lunaires et les météorites nous indiquent que les planètes intérieures et la Lune ont fini de se former 50 millions d’années après l’effondrement de la nébuleuse solaire. Mais le nettoyage a pris plus de temps. Le bombardement par les débris restants s’est poursuivi intensément pendant encore 600 millions d’années. Ces impacts ultérieurs ont ajouté très peu de masse. Ils ont juste marqué la surface.
Comment les planètes extérieures ont capturé leurs lunes
La même règle d’accrétion s’appliquait vers l’extérieur. Mais ici, les ingrédients étaient différents. Les planétésimaux glacés ont construit des objets dix fois plus massifs que la Terre. Cette masse était suffisamment lourde pour attirer les gaz et la poussière environnants de la nébuleuse solaire. Les planètes sont devenues si grandes que leur composition reflétait celle du Soleil : principalement de l’hydrogène et de l’hélium.
Chaque planète géante a développé son propre mini-disque, une sous-nébuleuse. Ce disque a alimenté la formation de satellites réguliers. Ces lunes ont des orbites circulaires et équatoriales qui correspondent au sens de rotation de la planète. Ils sont nés du disque.
Les satellites irréguliers sont une autre histoire. Ils ont des orbites excentriques, inclinées ou rétrogrades. Ils ne sont pas nés dans la sous-nébuleuse. Ils ont été capturés. À l’origine, ces objets tournaient autour du Soleil jusqu’à ce que la gravité d’une planète les attrape. Le Triton de Neptune et Phoebe de Saturne en sont les exemples classiques. Chaque planète géante a au moins une lune capturée dans sa suite.
Les lunes galiléennes de Jupiter présentent un modèle de densité qui reflète la disposition globale du système solaire. Io et Europa sont proches et rocheux. Ganymède et Callisto sont lointains et à moitié glacés. Pourquoi? Le Jupiter primitif était suffisamment chaud pour empêcher la glace de se condenser près de l’orbite d’Io. Le gradient thermique dictait la composition.
Les restes : astéroïdes et comètes
Une fois que la majeure partie de la matière s’est regroupée en objets discrets, le vent solaire s’est intensifié. Il a expulsé le gaz et la poussière restants du système. Nous constatons aujourd’hui des flux similaires autour des jeunes stars. Les plus gros débris sont restés.
La croissance rapide de Jupiter a créé un fossé entre elle et Mars. Cela a empêché une planète de s’y former. Cet espace constitue désormais la ceinture d’astéroïdes. Des milliers d’objets y vivent, mais leur masse totale est inférieure au tiers de celle de la Lune. Les météorites sur Terre proviennent principalement de ces astéroïdes. Ce sont des capsules temporelles offrant des indices sur l’état de la première nébuleuse.
Plus loin, les noyaux de comètes glacés représentent les planétésimaux formés par le froid. La plupart sont minuscules. Chiron, un objet Centaure, mesure environ 200 km de large. Il agit comme une comète, même s’il était autrefois classé parmi les astéroïdes. Pluton et Éris, dans la ceinture de Kuiper, sont beaucoup plus grandes.
La plupart des objets de la ceinture de Kuiper se sont formés sur place. Mais les calculs montrent que des milliards de planétésimaux glacés ont été éjectés par les planètes géantes lors de leur migration. Ces objets expulsés sont devenus le nuage d’Oort.
Pourquoi les géantes gazeuses portent des bagues
La formation de systèmes d’anneaux est une conséquence directe de l’évolution planétaire. Ce ne sont pas d’anciennes reliques de la nébuleuse solaire. Ce sont des débris temporaires recyclés.
Une lune peut s’approcher trop près de sa planète. S’il franchit la limite de Roche, les forces de marée le déchirent. Les fragments ne tombent pas à la surface. Ils s’étalent en disque. Ce disque devient un anneau. Alternativement, une comète ou un astéroïde peut être capturé et brisé par des impacts. Les débris sont réduits en poussière et en roche.
Les anneaux de Saturne sont massifs. Il s’agit peut-être des restes d’une lune détruite. Ou encore, il pourrait s’agir de matériaux qui ne se sont jamais accumulés dans un satellite en raison des forces de marée. Uranus et Neptune ont des anneaux plus fins et plus foncés. Leur matériau est probablement plus ancien, plus sombre et plus traité.
Les anneaux sont dynamiques. Ils changent. Les radiations et les impacts de micrométéoroïdes modifient leur composition. Les ondes gravitationnelles à l’intérieur des anneaux peuvent créer des espaces ou des amas. Les lunes peuvent guider les bords des anneaux, les gardant nets. Sans cette interaction continue, les anneaux se dissiperaient ou s’accumuleraient pour devenir des lunes. Ils sont le signe d’une mécanique planétaire active et non d’une histoire statique.
Le système solaire que nous voyons aujourd’hui est un cimetière de collisions. Chaque caractéristique, de la densité de Mercure aux anneaux de Saturne, est une cicatrice ou un vestige de cette jeunesse chaotique.
Les bagues ne sont pas seulement une jolie décoration. Ils sont la preuve physique des règles strictes de la gravité.
Nous les voyons autour de Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Chacun se situe à l’intérieur d’une frontière spécifique. C’est ce qu’on appelle la limite de Roche. Le nom vient d’Édou Roche, un mathématicien français du XIXe siècle. Il a compris pourquoi la matière reste sous forme de poussière au lieu de s’agglutiner en lunes.
A l’intérieur de cette limite, deux petits rochers ne colleront pas ensemble. Pourquoi? Parce que la gravité de la planète les attire différemment. Un côté d’un rocher subit une traction plus forte que l’autre. La planète gagne. Le rocher se déchire. Cela ne peut pas s’accumuler. Cela ne peut pas grandir.
Le champ gravitationnel de la planète agit également comme un mélangeur. Il disperse les particules. Cela minimise les collisions aléatoires. Pas de collision signifie pas de croissance. Juste un disque plat de débris.
Le mystère des origines de l’anneau
Cela explique où les anneaux restent. Cela n’explique pas quand ils sont arrivés là-bas. Ou comment ils restent contenus radialement.
La réponse varie selon la planète.
Pour Jupiter, le système est stable. C’est un équilibre entre la naissance et la mort. Les lunes intérieures rejettent constamment des particules. La poussière fraîche remplace la vieille poussière. C’est un tapis roulant de débris.
Saturne est plus compliqué. Les scientifiques sont divisés. Un camp affirme que les anneaux sont anciens. Vestiges de la formation de la planète. L’autre camp prétend qu’ils sont jeunes. Peut-être seulement quelques centaines de millions d’années. C’est un clin d’œil dans le temps cosmique.
Quoi qu’il en soit, la source est probablement constituée de planétésimaux glacés. Ces gros restes sont entrés en collision. Ils se sont brisés. Les fragments qui en résultent sont les petites particules que nous voyons aujourd’hui.
Résoudre le casse-tête du moment angulaire
Il existe un autre problème qui a déconcerté les premiers astronomes. Le casse-tête du moment cinétique.
Kant et Laplace ont tenté de le résoudre. Ils ont échoué. Le problème ? Le Soleil possède la majeure partie de la masse. Les planètes ont la majeure partie de la rotation. C’est à l’envers. On s’attendrait à ce que le grand projet maintienne son élan.
L’astronomie moderne résout ce problème en observant les étoiles. Je les regarde vraiment.
Les étoiles légèrement plus lourdes que notre Soleil tournent lentement. Pas aussi vite que le prédisent les modèles physiques. Ils ont un déficit. Un manque de spin. Les plus petites étoiles présentent le même problème.
Le coupable est le vent solaire.
Le Soleil a une atmosphère extérieure. Il s’étend progressivement dans l’espace. Il ne s’agit pas simplement d’air vide qui s’éloigne. Il transporte de la masse. Il porte de l’élan.
Les étoiles de grande masse ne font pas ça. Ils n’ont pas de vents stellaires forts. Ils continuent de tourner. Le Soleil le fait. Il perd de la masse dans l’espace. Cette perte ralentit sa rotation.
Cela s’est produit sur 4,6 milliards d’années. Le Soleil a ralenti. Les planètes ont conservé la rotation héritée de la nébuleuse originelle. Le soleil a cédé son moment cinétique au vide. Les planètes ont gardé la leur. C’est pourquoi nous orbitons autour d’une étoile à rotation lente.
La recherche de planètes extrasolaires ne consiste pas seulement à trouver des voisins. Il s’agit de briser l’isolement de notre propre système solaire. Pendant des décennies, les astronomes ont travaillé avec un lourd handicap. Ils avaient un point de données. Terre.
Comment se forme réellement un système planétaire ? Nous ne pouvions que le deviner en regardant notre propre cour. Trouver des planètes autour d’autres étoiles change tout. Cela supprime le biais de l’exemple unique. Cela transforme la spéculation en science.
Mais repérer ces mondes est difficile. Ces objets sont minuscules. Ils sont sombres. Et ils se cachent sous l’éclat aveuglant de leurs étoiles mères. Imagerie directe à partir de télescopes terrestres ? Presque impossible. L’éblouissement les efface.
Les astronomes sont donc devenus intelligents. Ils cherchèrent l’oscillation.
Le remorqueur invisible
Les planètes ne restent pas là. Ils tirent.
Une planète massive tire sur son étoile. Cela crée une légère oscillation gravitationnelle dans le mouvement de l’étoile dans l’espace. Les astronomes ont suivi ces changements subtils. Ils ont également observé les changements périodiques dans le rayonnement de l’étoile. La planète tire l’étoile vers nous, puis l’éloigne. Ce changement modifie la lumière que nous voyons.
Il y avait une autre astuce. Transits.
Lorsqu’une planète passe devant son étoile, elle bloque une infime fraction de la lumière. L’étoile s’assombrit. Juste un instant. La mesure de cette baisse de luminosité est devenue une méthode de détection principale.
Pendant des années, ces méthodes indirectes ont été la seule porte d’entrée. L’image directe est restée un Saint Graal.
Les premières détections
Le début des années 1990 en a livré la première véritable preuve. Les astronomes ont trouvé trois corps encerclant le PSR B1257+12.
Ce n’était pas une étoile solaire. C’était un pulsar. Une étoile à neutrons en rotation rapide. Mort, dense et tournant sauvagement. Trouver des planètes là-bas était choquant. Cela suggérait que la formation planétaire pourrait se produire même au lendemain d’une supernova.
Puis est venu le changement de jeu. 1995.
Une planète massive a été annoncée autour de 51 Pegasi. C’était différent. C’était une étoile semblable au soleil. Une étoile de la séquence principale. Un véritable analogue solaire.
La découverte a confirmé que des planètes géantes existent en dehors de notre système. À la fin de 1996, la liste s’allongeait. Mais des photos directes ? Toujours hors de portée.
Il a fallu attendre 2005 pour que les astronomes prennent la première photographie directe de ce qui semblait être une planète extrasolaire. Des décennies de recherche. Des décennies d’inférence indirecte. Enfin, une confirmation visuelle.
Jupiters chauds et règles enfreintes
Des centaines de systèmes planétaires sont désormais connus. Les données affluent. Et les données sont bizarres.
Beaucoup de ces systèmes contiennent des planètes géantes. Jupiter. Mais ils ne sont pas là où nous les attendions. Ils orbitent plus près de leurs étoiles que Mercure ne le fait de notre Soleil.
C’est un problème.
La théorie standard de la formation affirme que les planètes géantes doivent se former très loin. Assez loin pour qu’il fasse froid. Assez froid pour que la glace se condense. La glace fournit le matériau solide nécessaire à la construction d’un noyau massif. S’il fait trop chaud, pas de glace. Pas de planète géante.
Alors, comment ces Hot Jupiters se sont-ils formés ?
Une théorie : la migration.
Peut-être qu’ils se sont formés loin, là où il faisait froid. Puis ils ont déménagé. La planète interagit avec le disque de gaz et de poussière entourant l’étoile. Les forces de marée entraînent la planète vers l’intérieur. Elle tourne lentement vers l’étoile. Il s’arrête lorsque le matériel du disque a disparu. La star l’a consommé.
Les simulations informatiques le soutiennent. Mais est-ce toute la vérité ? Les astronomes restent divisés.
Le dilemme de la limite de neige
Notre propre système contient également des indices.
La sonde Galileo s’est lancée dans l’atmosphère de Jupiter. Il mesurait l’argon et l’azote moléculaire. Les niveaux d’enrichissement étaient éteints. Elles ne correspondaient pas aux températures élevées attendues près de la « ligne de neige » lors de la formation.
La limite des neiges est la limite où les composés volatils gèlent et se transforment en glace. Nous pensions que c’était crucial pour la formation des planètes géantes. Sans cela, vous n’obtiendrez que des planètes rocheuses.
Les données de Jupiter suggèrent le contraire.
Peut-être que la limite de neige n’était pas aussi grave que nous le pensions. Ou peut-être que la chronologie est erronée. Peut-être que la glace s’est formée très tôt. Lorsque le plan médian de la nébuleuse était inférieur à 25 K.
À cette température, la ligne de neige aurait été beaucoup plus proche du Soleil que Jupiter ne l’est aujourd’hui. Mais il n’y avait pas assez de matière à ces distances proches pour construire une planète géante.
La glace s’est donc formée au loin. Mais les conditions étaient différentes. Plus froid. Plus tôt.
Quelle est la prochaine étape
La première décennie de découvertes extrasolaires a été dominée par des géants. Masses similaires ou supérieures à Jupiter. Ils sont faciles à trouver. Une grande masse signifie une grande oscillation. Une grande masse signifie des transits plus profonds.
Les planètes plus petites sont plus difficiles.
À mesure que les techniques de détection s’amélioreront, les astronomes découvriront des mondes plus petits. De la taille de la Terre. Les rocheux.
Ces petites trouvailles combleront les lacunes. Ils nous montreront comment se forment des systèmes comme le nôtre. Comment ils évoluent. Comme nous sommes communs.
L’oscillation en révélera davantage. La gradation exposera davantage. L’éblouissement finira par perdre de son pouvoir.
Nous sommes encore en train d’apprendre les règles. Et les règles ne cessent de changer.
