Alors qu'elle était encore la seule planète arrivée à maturation, la planète Jupiter s'est mise à s’approcher rapidement du Soleil. En moins de 100 000 ans, elle a atteint la place actuelle de Mars. En chemin, son influence gravitationnelle a repoussé tous les petits planétoïdes rocheux vers le Soleil, au point qu'ils forment un anneau compact.
C'est à l'intérieur de celui-
Si Jupiter a repris sa place depuis cet événement capital, c'est que Saturne s'est mise à son tour à migrer vers le Soleil. Cette autre géante a rattrapé Jupiter et l'a forcée, toujours par le jeu des forces gravitationnelles, à faire machine arrière !
Non, Jupiter n'a pas brisé dans l'œuf la formation d'une planète, conduisant à cet anneau de petits corps que l'on appelle la ceinture principale d'astéroïdes. Bien au contraire, cette région aurait été emplie par la géante. C'est du moins ce que propose un nouveau scénario, étonnant, pour la formation de notre Système solaire.
Dans la Voie lactée, des nuages moléculaires poussiéreux et froids -
Des protoétoiles naissent alors, et s'entourent d'un disque protoplanétaire où les températures peuvent dépasser quelques milliers de degrés vers le centre du disque alors qu'elles sont plus froides à plus grandes distances. Des poussières vont sédimenter au fur et à mesure que le disque se refroidit et que le gaz se condense. Le gradient thermique impose ainsi au disque un gradient chimique. Les corps qui vont se mettre à croître par condensation et accrétion de matière au plus proche du Soleil contiendront donc essentiellement des oxydes métalliques et des silicates réfractaires : c'est là que naîtront des planètes rocheuses. Plus loin, ce sont des particules glacées qui formeront des noyaux attirant de grandes quantités de gaz. On aura donc des géantes gazeuses, comme Jupiter et Saturne, et, plus loin encore des géantes aux cœurs de glace comme Uranus et Neptune.
La cosmogonie du Système solaire et de la ceinture d'astéroïdes
Ce scénario cosmogonique dans les grandes lignes vaut très probablement au moins pour notre Système solaire. Les observations des télescopes, comme Hubble, Spitzer et Herschel, pour ne citer qu'eux, laissent penser qu'il vaut aussi pour plusieurs des systèmes planétaires en formation qui ont pu être repérés. Il est soutenu également par des simulations numériques et par les données issues de l'étude des météorites et des astéroïdes dans notre Système solaire.
Cependant, malgré tout ces succès, même autour du Soleil, il demeure de nombreuses problèmes dont les solutions ne sont pas connues de façon satisfaisantes bien que l'on ait quelques idées, par exemple les barrières du champ magnétique, de la rotation et du mètre. Il y a notamment le problème de la taille de Mars : elle semble bien trop petite et trop peu massive. Les modèles numériques nourris des données observationnelles laissent en effet penser que Mars devrait être d'une dimension comparable à celle de la Terre et que plusieurs petites planètes devraient occuper la région de la ceinture principale d'astéroïdes.
Une ceinture étrangement vide et Mars trop petite
Cette ceinture, contrairement à ce que font croire le cinéma et certains documentaires, est plutôt vide. Les distances entre ses objets sont très grandes. Quant à son origine, elle ne réside pas, comme on l'a longtemps pensé, dans une collision destructrice entre deux planètes : cette ceinture ne contient environ qu'un millième de la masse de la Terre.
Le scénario retenu actuellement est celui d'une planète qui n'a pas pu se former. Les planétésimaux (des corps de 1 à 100 km) n'ont pas pu fusionner en raison de la présence de la massive Jupiter, qui se serait formée plus vite que les planètes rocheuses. Son champ de gravitation aurait inhibé cette croissance et dépeuplé la région de la ceinture d'astéroïdes. Un scénario de migration planétaire, le Grand Tack, contribuerait aussi à expliquer la petite taille de Mars et l'absence d'autres planètes dans la ceinture d'astéroïdes.
La ceinture d'astéroïdes : une région dépeuplée...
Toutefois, ces explications ne sont pas totalement satisfaisantes, notamment parce qu'au cours des dernières années, il est devenu de plus en plus évident que les petits corps de cette ceinture sont minéralogiquement très divers. Pour l'essentiel, ils ne serait pas nés là mais proviendraient de régions différentes du disque protoplanétaire.
Il existe d'ailleurs deux populations bien distinctes et qui sont dominantes (voir le schéma ci-
... ou bien une région vide peuplée tardivement ?
Comment expliquer ce mélange étonnant ? Avec son collègue Andre Izidoro, l'astronome Sean Raymond (du Laboratoire d'astrophysique de Bordeaux et un des promoteurs du scénario du Grand Tack) vient de proposer une nouvelle hypothèse révolutionnaire dans un article publié dans Science Advances.
Jupiter et ses perturbations gravitationnelles n'auraient pas dépeuplé la ceinture principale d'astéroïdes. Tout au contraire, la géante gazeuse aurait injecté des astéroïdes dans cette région qui en était auparavant dépourvue. Ces astéroïdes seraient donc pour l'essentiel des migrants nés ailleurs.
Les observations faites par le radiotélescope Alma du disque protoplanétaire qui entoure la jeune étoile HL Tauri donnent du crédit à cette hypothèse ainsi que des travaux de simulations numériques. Des phénomènes de dérives des poussières et de croissance accélérée des embryons de planètes au sein du disque protoplanétaire pourraient y creuser des anneaux fortement appauvris en poussières. Peu de planétésimaux y prendraient donc naissance et c'est dans ce vide que les astéroïdes de la ceinture principale auraient finalement pris place au début de son histoire.
Sean Raymond et Andre Izidoro ont obtenu un intéressant résultat à l'appui de leur nouveau scénario. Les simulations numériques qu'ils ont conduites rendent compte précisément des proportions d'astéroïdes C et S dans la ceinture principale. Sur son blog, Sean Raymond est tout de même prudent car il est finalement possible d'expliquer la petite taille de Mars et la structure de la ceinture d'astéroïdes aussi bien avec le modèle du Grand Tack qu'avec celui qu'il vient de proposer avec Andre Izidoro.
Chacun de ces modèles a ses points faibles et ses points forts. Du travail reste donc encore à faire. Les tests capables de réfuter ces modèles, qui pourraient être faux tous les deux, sont encore à trouver. Au final, on devrait en savoir plus sur l'origine de l'eau sur Terre dont une partie au moins aurait été apportée par l'accrétion de planétésimaux et d'astéroïdes.
Au tout début de la formation du Système solaire, il y a environ 4,5 milliards d'années, Jupiter aurait migré sur plusieurs milliards de kilomètres en direction du Soleil. C'est ce que suggèrent des simulations numériques capables de rendre compte de l'existence des astéroïdes troyens de Jupiter.
En 2005, l'astronome et planétologue Alessandro Morbidelli et ses collègues avaient publié dans Nature une série d'articles concernant des simulations numériques faisant intervenir après la formation des planètes internes -
Les effets de la gravité du disque protoplanétaire
D'autres migrations, plus anciennes celles-
Cette migration de Jupiter en direction du Soleil se serait faite en accord avec des idées déjà avancées au cours des années 1980, quand a été développée une théorie générale des interactions entre les planètes en formation et ce disque. Elle conduit à la notion de migration de type II.
Lorsqu'une géante se forme, elle creuse un sillon appauvri en matière dans le disque mais la partie interne de celui-
Des populations de troyens fixées par une migration planétaire
Une équipe internationale d'astronomes menée par des chercheurs de l'université de Lund en Suède vient de publier un article déposé sur arXiv dans lequel il est expliqué que l'odyssée de Jupiter est encore plus mouvementée qu'on ne l'imaginait. Si la géante gazeuse est aujourd'hui sur une orbite à presque 778 millions de kilomètres du Soleil, elle aurait commencé à se former quatre fois plus loin, c'est-
Jupiter aurait commencé à se former comme une planète rocheuse normale ou presque, c'est-
Dans le scénario proposé par les astronomes de Lund, Jupiter n'avait pas encore atteint ce stade d'accrétion et sa masse devait être comparable à celle de la Terre, et ce quelques millions d'années tout au plus après le début de la naissance du Système solaire. Jupiter aurait alors migré en seulement 700.000 ans vers les régions internes du disque protoplanétaire, parcourant ainsi des milliards de kilomètres, sous l'effet des interactions dynamiques avec ce disque, théorisées dans les années 1980.
Mais comment les mécaniciens célestes sont-
Il se trouve qu'il y a plus de troyens en avant de Jupiter et ce fait curieux avait jusqu'ici défier les explications. La migration planétaire découverte par les chercheurs et les effets de résonances gravitationnelles impliquées avec des petits corps célestes lors de cette migration expliquent cette curieuse asymétrie. C'est pour cette raison que cette nouvelle migration vient d'être proposée dans les débats sur la cosmogonie du Système solaire.
Pourquoi l'orbite des planètes n’est-
Aucune loi de la mécanique céleste ne s’oppose à ce que l’orbite d’une planète soit circulaire. Mais quand plusieurs planètes tournent autour d’une étoile, comme les huit de notre système solaire, elles s’attirent les unes les autres, imprimant une forme plus ou moins elliptique à leur trajectoire. Et comme elles se trouvent périodiquement dans la même configuration, cela accentue la déformation de leur orbite… qui devient elliptique. Et qui devrait même, en réalité, être encore plus excentrique.
L’explication est à chercher dans l’histoire de la formation des systèmes solaires. A l’origine gravitait autour de notre toute jeune étoile un immense nuage de poussière agité de mouvements anarchiques. Alors, comment expliquer que les planètes se soient mises à tourner bien sagement ensemble ? Cela tient à un mécanisme naturel de régulation qui favorise les orbites circulaires et qui repose sur une loi géométrique simple : deux cercles de même centre ne peuvent pas se couper.
L'orbite des planètes, une affaire de géométrie
Les orbites circulaires s’imposent donc car elles entraînent moins de collisions ; elles sont même la condition de la formation des planètes. De fait, aux premiers temps du système solaire, des collisions incessantes provoquaient la formation et la destruction continuelles de corps. Les seuls à avoir atteint une taille suffisante sont donc ceux qui suivaient les trajectoires les plus circulaires. Si une certaine ellipticité est visible aujourd’hui, elle est le résultat des interactions gravitationnelles.
Cependant, ces ellipses ne sont pas parfaites : elles ne se referment pas tout à fait. Ainsi, la forme de l’orbite terrestre a un cycle de 413 000 ans, à l’intérieur duquel son excentricité est multipliée par dix avant de revenir à sa valeur initiale.
Différents mécanismes de formation des cratères ont été envisagés, bien que la plupart des cratères soient des cratères d'impact.
La formation de nouveaux cratères est étudiée par un programme de surveillance de la NASA. Ainsi, le 17 mars 2013, un impact causé par un corps d'environ 40 kilogrammes est repéré dans Mare Imbrium.
Selon le Modèle de Nice, élaboré précisément à la suite de l'analyse d'échantillons lunaires, la plupart des cratères actuels de la Lune seraient consécutifs au Grand bombardement tardif survenu plusieurs centaines de millions d'années après la formation du Système Solaire.
Le modèle de Nice est un scénario décrivant correctement la formation et l'évolution du système solaire. Il propose que les planètes géantes aient migré depuis une configuration initiale compacte vers leurs positions actuelles, longtemps après la dissipation du disque de gaz protoplanétaire. Cette migration planétaire explique les évènements tel que, le bombardement massif tardif du système solaire interne, la formation du nuage de Oort, l'existence des populations de petits corps du système solaire incluant la ceinture de Kuiper, les astéroïdes troyens de Jupiter et de Neptune, et le nombre des objets en résonance transneptunienne dominés par Neptune. Le modèle de Nice est largement accepté comme le modèle le plus réaliste connu, pour expliquer l'évolution du système solaire, mais il ne parvient pas à expliquer complètement, la formation de la ceinture de Kuiper.