Le disque protoplanétaire de notre Système solaire, une vision d'artiste. © Nasa, JPL-Caltech, T. Pyle (SSC)
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L'histoire des premiers grains solides du Système solaire est révisée

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[EN VIDÉO] Le mystère de la naissance des planètes  Les planètes sont étonnamment variées et complexes. Au nombre de huit dans notre Système solaire, elles se sont formées après le Big Bang selon un scénario surprenant. Découvrez, grâce à Discovery Science, la naissance de ces astres. 

Un rebondissement dans la saga de la constitution de la cosmogonie du Système solaire est suggéré par les travaux d'une équipe de cosmochimistes analysant des minéraux parmi les plus anciens dans les météorites, les fameuses inclusions riches en aluminium et en calcium. Ces minéraux, parmi les premiers à se condenser dans le disque protoplanétaire en refroidissement, ne se seraient pas formés comme on le pensait ni où on le pensait.

La chimie et la physique du Système solaire et en particulier de sa formation sont fascinantes comme on peut s'en rendre compte en consultant l'un des traités d’astrophysique pour étudiants au niveau master en France à ce sujet. La cosmogonie du Système solaire est toujours un important sujet de recherche où des surprises se produisent encore, même si les grandes lignes du scénario de sa formation sont maintenant raisonnablement stables.

Ainsi, la théorie de la nébuleuse planétaire dite de Kant-Laplace est un paradigme dominant qui va rester puisque nous observons de nombreux exemples de jeunes étoiles entourées d'un disque protoplanétaire dans la Voie lactée. Selon ce paradigme sous sa forme moderne, il y a environ 4,56 milliards d'années, un nuage moléculaire de gaz et de poussière turbulent s'est effondré gravitationnellement en se fragmentant pour donner de plus petites condensations en rotation.

Le Système solaire est un laboratoire pour étudier la formation des planètes géantes et l'origine de la vie que l'on peut utiliser conjointement avec le reste de l'Univers, observable dans le même but. MOJO pour Modeling the Origin of JOvian planets, c'est-à-dire modélisation de l'origine des planètes joviennes, est un projet de recherche qui a donné lieu à une série de vidéos présentant la théorie de l'origine du Système solaire et en particulier des géantes gazeuses par deux spécialistes réputés, Alessandro Morbidelli et Sean Raymond. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Laurence Honnorat

Ces petites nébuleuses vont continuer à s'effondrer mais comme il existe une force centrifuge perpendiculaire à l'axe de leur rotation, cette force va avoir tendance à s'opposer à cet effondrement de sorte qu'il va se former un disque perpendiculaire à cet axe de rotation, un disque protoplanétaire où vont naître les planètes.

Cet effondrement va chauffer le gaz et un gradient thermique se constituera avec les régions les plus chaudes dans le disque au plus près du Soleil. La matière s'y refroidira finalement, permettant à des composés réfractaires ne se vaporisant qu'à des hautes températures d'apparaître les premiers proches du Soleil et des glaces entourant des poussières silicatées à plus grandes distances, là où pourront se former les géantes gazeuses et de glaces que sont Jupiter et Saturne dans le premier cas, Uranus et Neptune dans le second cas.

Les composés les plus réfractaires vont donner les planètes rocheuses internes, particulièrement riches en fer mais pauvres en éléments volatils telle l'eau.

Allende, la pierre de Rosette de la planétologie

Comme témoin de la naissance du Système solaire, les astrophysiciens et les cosmochimistes se sont particulièrement intéressés à la célèbre météorite d'Allende qui est tombée près du village du même nom au Mexique, le 8 février 1969. C'est une chondrite carbonée de type CV3, considérée comme la pierre de Rosette de la planétologie tant elle a fourni d'informations sur les premiers temps de la formation du Système solaire. Éparpillée sur plus de 150 kilomètres carrés, dans le district de Chihuahua au Mexique, en plusieurs centaines de fragments totalisant une masse de plus de deux tonnes, elle a pu être étudiée à loisir par de nombreux cosmochimistes. On peut même en acheter des fragments à des prix raisonnables, de l'ordre d'une centaine d'euros.

Une coupe de la célèbre météorite Allende. Cette chondrite carbonée contient des structures irrégulières blanchâtres, des CAI (pour Calcium-Aluminum-rich Inclusions, en anglais). Leur formation date de 4,568 milliards d'années et elles contiennent des traces de radioactivité éteintes. © CC by 20, Shiny Things

L'analyse de ses inclusions riches en aluminium et en calcium (baptisées CAI, pour Calcium Aluminum-rich Inclusions) a révélé l'explosion d'une supernova très peu de temps avant la formation du Système solaire. Au début des années 1970, des chercheurs, notamment Robert Clayton et Jerry Wasserburg, y avaient en effet découvert des anomalies isotopiques de certains éléments, l'oxygène et, surtout, le magnésium, précisément ses isotopes 26Mg et 24Mg. Ces anomalies ne s'expliquaient bien que si un Little Bang, une supernova, avait d'abord injecté dans la nébuleuse protosolaire des éléments radioactifs à courte durée de vie, dont l'aluminium 26 se désintégrant en 26Mg, puis provoqué l'effondrement de cette nébuleuse. L'onde de choc de l'explosion dans le milieu interstellaire aurait en effet permis à la nébuleuse de se contracter suffisamment pour que sa gravité devienne assez forte pour cela.

Rappelons que ces CAI sont des composés réfractaires, qui se condensent donc à hautes températures, comme celles qui régnaient près du jeune Soleil dans le disque protoplanétaire où sont nées les planètes, et qui se seraient donc formés les premiers avant d'être intégrés dans les météorites. Leur âge est estimé à environ 4,567 milliards d'années. C'est avec des matériaux comme celui-ci, le plus ancien du Système solaire, que se sont ensuite formés les planétésimaux puis les planètes, en donnant une grande variété de roches plus ou moins évoluées. Les CAI contiennent en particulier des abondances anormalement élevées en deux isotopes, le béryllium-10 et du vanadium-50, en comparaison de celles trouvées dans d'autres météorites qui se sont formées plus loin du jeune Soleil. On avait déduit que ces isotopes provenaient de la fragmentation des noyaux dans les CAI sous l'action d'un flot de rayons cosmiques issu des éruptions du jeune Soleil, des centaines de milliers de fois plus fortes qu'à l'heure actuelle.

Une image d'artiste du bombardement des inclusions réfractaires par des rayons cosmiques (noyaux d'hélium, notés α, et protons chargés positivement, notés +) en provenance du jeune Soleil qui aurait causé la production anormale d'isotopes tels le 50V et 10Be dans ces grains primordiaux. © Joel Dyon, IPGP

Une chimie atomique et pas nucléaire ?

Toutefois, la présence de CAI a été établie non seulement dans des météorites dont la composition indique qu'elles se sont formées à des distances très variables du Soleil mais aussi dans des comètes qui sont des mémoires des régions froides et éloignées du Soleil dans le disque protoplanétaire initial.

Pour expliquer ce phénomène on avait fait appel à des processus de mélange, par exemple par turbulence, dans le disque qui aurait donc brassé vigoureusement la matière qu'il contenait. Mais, selon une équipe internationale de chercheurs menée par des membres du célèbre Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), il faudrait revoir cette question et en premier lieu l'origine des CAI, comme les cosmochimistes l'expliquent dans un article publié dans Science Advances.

C'est ce que suggèrent les nouvelles analyses des abondances des isotopes des éléments vanadium (V) et strontium (Sr). Plus précisément, la thèse qui est soutenue par ces analyses c'est qu'« il s'avère que certains des isotopes radioactifs à courte durée de vie que les chercheurs pensaient auparavant être des produits de l'irradiation du Soleil actif précoce sont plutôt probablement hérités de notre nuage moléculaire parent, ce qui, à son tour, nous en dit long sur le milieu cosmique dans lequel nous avons grandi », a déclaré Greg Brennecka, cosmochimiste du LLNL, coauteur de l'article.

Les variations isotopiques étonnantes découvertes initialement ne seraient pas causées par l'irradiation du Soleil mais seraient produites par des réactions de condensation et d'évaporation relevant de la chimie des atomes dans le Système solaire primitif, réactions qui auraient produit des fractionnements chimiques mimant l'effet d'un fort flux de rayons cosmiques issu du jeune Soleil et les réactions nucléaires en résultant.

Il faut alors en conclure que les CAI ne se sont pas formés seulement très proches du Soleil mais dans des régions plus éloignées que ce que l'on imaginait. En retour, puisque l'on aurait besoin d'un brassage de la matière dans le disque protoplanétaire moins important que ce que l'on croyait, cela a un impact sur les modèles de ce disque et les mécanismes physiques et chimiques qui y opéraient.

« Fondamentalement, cela nous donne une idée de l'intensité du fonctionnement à laquelle le "mélangeur" a été allumé. La vitesse de ce "mélangeur" est importante pour comprendre comment la matière s'est déplacée dans le Système solaire primitif et comment le Système solaire est organisé aujourd'hui (géantes gazeuses à l'extérieur, corps terrestres à l'intérieur) », a déclaré Brennecka. « Cette étude étend considérablement la zone dans laquelle les premiers solides du Système solaire auraient pu se former », ajoute-t-il dans un communiqué du LLNL.

Pour en savoir plus

L'histoire du disque protoplanétaire du Soleil doit être révisée

Article de Laurent Sacco publié le 07/11/2012

Appliquée aux chondrites carbonées, les météorites les plus anciennes du Système solaire, la cosmochimie avait jusque-là indiqué que la chronologie des premières phases de leur formation devait différer de celle des autres disques protoplanétaires. En d'autres termes, notre Système solaire serait exotique. Il n'en serait rien selon des analyses plus récentes...

Une des grandes questions qui se pose, lorsque l'on cherche à comprendre les origines de l'apparition de la vie dans le Système solaire, est si celui-ci présente des caractéristiques rares ou très répandues dans la Voie lactée. Les différences possibles examinées ne sont pas limitées à la structure des orbites, mais aussi au niveau de la chimie des matériaux composant les corps célestes, que ce soit pour les planètes, les comètes et bien sûr les météorites. Ces différences doivent servir à contraindre les scénarios cosmogoniques de la naissance du Soleil et de la Terre via une nébuleuse protosolaire à l'origine du disque protoplanétaire où sont nées les planètes.

On peut ensuite comparer les prédictions déduites de ces scénarios aux observations des jeunes systèmes planétaires en formation et aux systèmes d'exoplanètes. Si notre système planétaire devait apparaître comme vraiment singulier dans la Voie lactée, il faudrait en conclure que les chances de découvrir une vie ailleurs, en particulier une civilisation extraterrestres, sont probablement faibles.

Les découvertes des nuages moléculaires riches en molécules organiques et les preuves de l'existence d'un grand nombre de superterres potentiellement habitables dans la Galaxie se sont cependant accumulées depuis moins de 20 ans. La vie est probablement très répandue dans le cosmos observable et bien que l'on devine qu'une grande diversité d'exoplanètes et de systèmes planétaires soit bel et bien présente dans la Voie lactée, notre Système solaire n'est très probablement pas une anomalie rarissime.

Chondre, à gauche, et inclusion réfractaire (CAI), à droite, sont bien visibles sur cette image prise au microscope polarisant d'une coupe d'une météorite. © Damien Mollex

Les chondrites carbonées, la mémoire du Système solaire primitif

Ces découvertes récentes sur les exosystèmes planétaires laissent un peu perplexes les cosmochimistes s'occupant des météorites, en particulier des chondrites carbonées.

Dans les années 1970, l'analyse de ces messagers célestes, gardant fidèlement la mémoire des phases primitives de la formation du Système solaire, s'était révélée riche en enseignements. L'affinement des méthodes de datation a permis au cours des années de dater sa naissance, il y a 4,567 milliards d'années.

En regardant d'un peu plus près les chondrites, on constate qu'elles contiennent des sortes de petites billes qui sont des bulles de magma ayant cristallisé en apesanteur. Ce sont des chondres (du grec chondros signifiant « grain »). Dans le cas de la météorite dite Allende qui est tombée le 8 février 1969 près de la localité du même nom au Mexique, et dont on a recueilli presque 2 tonnes de fragments, c'est au niveau des inclusions réfractaires appelées CAI (Calcium Aluminium Inclusions) que les découvertes ont été les plus fascinantes. Ces CAI sont considérées comme les plus vieux objets de notre Système solaire et c'est dans celles d'Allende que l'on a trouvé des anomalies isotopiques permettant de remonter à l'explosion d'une supernova.

Selon les cosmochimistes, les CAI se sont formées très rapidement et avant les chondres qui n'ont commencé à apparaître que 2 millions d'années plus tard. Peu de temps après, CAI et chondres se sont finalement retrouvées ensemble dans les premières chondrites carbonées. Or ce scénario entrait quelque peu en conflit avec les modèles de formation des disques protoplanétaires observés qui indiquaient que chondres et CAI avaient dû se former en même temps. On pouvait donc en conclure que la formation du Système solaire devait avoir été au moins partiellement atypique. Peut-être cela n'était-il pas sans conséquence sur les conditions nécessaires à l'apparition d'une planète habitable, voire de la vie.

Selon un article publié dans Science par un groupe de chercheurs, cette chronologie de la formation du Système solaire est fausse. En se basant sur des analyses fines des abondances des isotopes des noyaux de plomb et d'uranium, ils en ont déduit que comme dans le cas des autres systèmes planétaires, la formation des CAI et des chondres dans le Système solaire s'est faite simultanément. Les chondres se seraient de plus formées pendant les 3 premiers millions d'années de l'histoire du disque protoplanétaire et non 2 millions d'années après les CAI.

Au final, un tel résultat soutient l'idée que notre système planétaire ressemble beaucoup aux autres dans la Voie lactée et que des exoterres ne devraient pas être rares.

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