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Système solaire : la régularité des orbites est-elle une exception ?

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Les systèmes planétaires sont très communs dans la Voie lactée mais cela veut-il dire que beaucoup d'entre eux ressemblent à notre Système solaire ? Rien n'est moins sûr si l'on en croit une série de simulations numériques, réalisée par un groupe de chercheurs allemands et britanniques. Beaucoup pourraient n'avoir que peu de planètes telluriques, avec des inclinaisons d'orbites très variés.

Plusieurs images de disques protoplanétaires vus par Hubble. © Nasa, Esa et L. Ricci (ESO)

Nous sommes maintenant assez loin des théories proposées il y a longtemps par Descartes, Laplace et surtout Kant pour la formation du Système solaire. Les idées centrales restent toutefois les mêmes, raffinées et complétées par les progrès des observations, des modèles théoriques analytiques et numériques.

Lorsqu'un nuage moléculaire riche en poussières possède des paramètres de température et de densité satisfaisant le fameux critère de Jeans, il va pouvoir s'effondrer sous sa propre gravité. Ce faisant, il va se morceler en plusieurs nuages plus petits qui à leur tour peuvent se fragmenter. Il en résulte que de nouvelles étoiles ne naissent pas de façon solitaire mais forment ce que l'on appelle un amas ouvert de jeunes étoiles.

Un nuage moléculaire sphérique et plus dense au centre en train d'amorcer son effondrement gravitationnel. © Ingo Thies
Le nuage se fragmente en sous-nuages dont certains vont s'effondrer et même se fragmenter à nouveau. © Ingo Thies

Certaines de ces étoiles sont suffisamment massives pour finir par exploser en supernova, générant des ondes de choc dans le nuage, qui vont provoquer, par exemple, l'effondrement de petits nuages, trop peu denses ou trop chauds pour s'effondrer sous leur propre poids à l'intérieur du grand nuage initial. On pense que notre propre Système solaire est ainsi né d'un Little Bang.

Lorsqu'un nuage s'effondre pour former une étoile, il est généralement en rotation, ce qui veut dire que la force centrifuge perpendiculaire à son axe de rotation va s'opposer à sa contraction gravitationnelle. Initialement grossièrement sphérique, le nuage devient un disque protoplanétaire avec une protoétoile en son centre, tournant sur elle-même dans le même sens que le disque. Des planètes peuvent naître dans ce disque et dans le cas du Système solaire, c'est de cette manière que l'on explique pourquoi les planètes principales tournent dans le même sens que le Soleil et sont quasiment dans un même plan orbital, avec des inclinaisons peu différentes les unes des autres.

Un disque protoplanétaire entre en collision avec l'un des sous-nuages du schéma précédent. © Ingo Thies
Le disque arrache de la matière au nuage. © Ingo Thies

D'après les travaux de Pavel Kroupa et ses collègues, il est fort possible que l'arrangement observé dans le Système solaire soit en réalité une exception. Comme il l'explique avec des collèges dans un article publié sur arXiv et donné en lien ci-dessous, le fait que des systèmes d'exoplanètes naissent dans un amas ouvert d'étoiles a insuffisamment été pris en compte dans les modèles de cosmogonie qui nous conduisent du Big Bang au Vivant.

Les chercheurs ont ainsi conduit des simulations basées sur l'idée que des collisions, ou pour le moins des interactions rapprochées entre des disques protoplanétaires et des nuages moléculaires, ne doivent pas être rares dans un amas ouvert en formation. Il en résulte qu'un disque protoplanétaire doit pouvoir arracher de la matière à un de ces nuages en s'entourant d'un anneau, lequel finira par être absorbé par le disque.

Des orbites instables

Un anneau de matière se forme, qui va perturber le disque interne. © Ingo Thies

Jusqu'à trente fois la masse de Jupiter en poussières et en gaz peut ainsi se retrouver dans l'anneau et être incorporé au disque. Plusieurs phénomènes peuvent alors se produire. Le disque peut s'incliner par rapport à la rotation de sa protoétoile et il peut même se mettre en rotation rétrograde. Les exoplanètes peuvent aussi avoir des inclinaisons très différentes les unes des autres et des mécanismes comme la résonnance de Kozai vont encore changer les inclinaisons et les excentricités des orbites.

Non seulement le système planétaire final peut contenir plusieurs planètes en rotation rétrograde et très inclinées par rapport à la rotation de l'étoile centrale, mais de telles configurations sont instables, ayant tendance à éjecter les planètes telluriques pour ne laisser que des jupiters chauds.

Si les chercheurs ont raison, un tel résultat revêt évidemment une grande importance pour les exobiologistes à la recherche de la vie dans la Galaxie.