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Quand le chaos détruira le système solaire...

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Le système solaire est-il stable sur une longue période de temps ? Rien n'est moins sûr et cette lancinante question, au cœur de la mécanique céleste depuis Newton, vient de subir un nouveau rebondissement. La prise en compte de la relativité générale - c'est une première ! - indique qu'une collision entre la Terre, Vénus ou Mars n'est pas impossible.

Vue d'artiste des risques de collision entre la Terre et Vénus dans moins de cinq milliards d'années. © J. Vidal-Madjar, IMCCE

De Newton à Poincaré en passant par Laplace et Gauss, la question de la stabilité du système solaire n'a cessé de tracasser les mathématiciens spécialistes de la mécanique céleste. C'est par cette faille dans la forteresse des équations déterministes de la mécanique classique que la chaos est entré et a acquis ses lettres de noblesse.

A la fin du dix-neuvième siècle, Poincaré avait même montré que trouver une solution analytique au simple problème du mouvement de trois corps sous l'action de leur champ de gravitation était impossible. On ne pouvait donc espérer démontrer par le calcul que jamais la Terre par le jeu des perturbations gravitationnelles des autres corps célestes ne finisse par entrer en collision avec le Soleil ou même à quitter le système solaire. La stabilité des orbites actuelles du système solaire tournant toutes dans le même sens, presque dans le même plan et selon des orbites peu excentriques bien qu'elliptiques était peut-être un phénomène transitoire à l'échelle des milliards d'années. Mais comment le savoir ?

Le seul espoir d'avoir un élément de réponse consistait à faire intervenir des simulations sur ordinateur. Mais il a fallu attendre un saut dans leur puissance de calcul et des bonnes méthodes d'approximation pour découvrir avec les travaux de Jacques Laskar et ses collègues au début des années 1990 que le système solaire pouvait effectivement subir une évolution chaotique et que dans quelques dizaines de millions d'années des modifications importantes des orbites des planètes n'était pas à exclure.

Ces conclusions viennent d'être renforcées aujourd'hui par de nouvelles études menées sur ordinateur et incluant cette fois les corrections post-newtoniennes des équations de relativité générale d'Einstein.

L'influence d'une instabilité chaotique majeure sur l'orbite de Mercure, la moins massive et donc la plus sujette à des perturbations, dans le cadre de la mécanique céleste newtonienne, est confirmée dans le cadre de la théorie de la gravitation d'Einstein. La situation semble même pire !

Un des scénarios catastrophe. L’excentricité de Mercure (en blanc) est devenue assez forte pour permettre une collision avec Vénus (en vert). La Terre (en bleu) est épargnée. © IMCCE (Observatoire de Paris/UPMC/INSU-CNRS)

Sept millions d'heures de calcul pour écrire 2500 scénarios

Jacques Laskar et Mickael Gastineau (Observatoire de Paris/UPMC/INSU-CNRS) ont réalisé une étude statistique afin d'estimer les chances de tel ou tel scénario d'évolution possible du système solaire. Comme, de toute manière, celui-ci doit être fortement perturbé par la transformation du Soleil en géante rouge ils ont conduit plus de 2.500 simulations décrivant les futurs possibles du système solaire sur une période de cinq milliards d'années. Pendant quatre mois, sept millions d'heures de calcul ont été effectuées à l'aide de la nouvelle machine Jade du Centre Informatique National de l'Enseignement Supérieur.

Dans la majorité des scénarios, les orbites se déforment peu sur plusieurs milliards d'années. Mais dans 1% des cas environ, l'excentricité de Mercure augmente considérablement, ce qui conduit à des risques élevés de collisions. Une saisissante vidéo montre comment cette évolution chaotique du système solaire interne peut conduire à des catastrophes.

Lorsque l'orbite de Mercure voit son excentricité varier de façon non négligeable, généralement, le scénario conduit à une collision avec Vénus ou avec le Soleil d'ici à cinq milliards d'années, tandis que l'orbite de la Terre reste peu affectée.

Toujours dans le cas de figure d'une forte excentricité de Mercure, l'un des scénarios conduit à ce qu'elle augmente encore jusqu'à provoquer, par effet de domino, une accentuation de l'excentricité de Mars puis une déstabilisation complète des planètes internes (Mercure, Vénus, Terre, Mars) dans 3,4 milliards d'années.

Au final, 201 cas ont été répertoriés qui, hormis cinq exemples où l'on assiste à une éjection de Mars hors du système solaire, conduisent à des collisions entre les planètes ou entre une planète et le Soleil en moins de cent millions d'années après cette déstabilisation. Un cas aboutit à une collision entre Mercure et la Terre, 29 à une collision entre Mars et la Terre et 18 à une collision entre Vénus et la Terre...

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