La Terre et Uranus à la même échelle. Uranus est 4 fois plus grande que la Terre soit 63 fois en volume mais sa masse n’est que 14,5 fois plus importante du fait de sa faible densité. © NASA

Sciences

Uranus aurait basculé à cause d'une collision géante

ActualitéClassé sous :Astronomie , Uranus , scientifique

De nouvelles simulations numériques plus puissantes et plus précises accréditent l'idée qu'il y a environ 4 milliards d'années, Uranus serait entrée en collision avec un gros corps céleste. Contenant au moins deux fois la masse de la Terre, ce corps aurait fait basculer l'axe de rotation d'Uranus qui est devenu presque parallèle à son plan orbital.

L'exploration du Système solaire par les sondes Voyager a montré que celui-ci était plus divers qu'on ne l'imaginait, stimulant les planétologues et les cosmogonistes construisant des modèles de la formation des corps célestes qu'il contient. L'un des buts de Voyager 2 lors de sa visite d’Uranus était de collecter des nouvelles données pour essayer de comprendre l'origine de l'étrange inclinaison de l'axe de rotation de la planète, qui est presque parallèle avec son plan orbital autour du Soleil, alors que les autres planètes ont des axes plutôt perpendiculaires.

Voyager 2 a ainsi découvert que la géante de glace possédait un champ magnétique mais que celui-ci, s'il correspondait bien en première approximation à celui d'une barre aimantée comme dans le cas de la Terre ou à Jupiter et Saturne, contrairement à ces planètes avait mais un axe qui n'est pas presque parallèle à l'axe de rotation d'Uranus (il est incliné de 60 ° environ).  Ce qui laisse un peu perplexe pour expliquer son origine à partir de la théorie de la géodynamo qui relie fortement l'orientation des deux axes.

Uranus a une autre caractéristique anormale, elle est plus froide que ce à quoi on pouvait s'attendre selon les modèles décrivant la planète et sa naissance. Or, une équipe internationale d'astrophysiciens menée par des chercheurs de l'université de Durham (Royaume-Uni) vient de publier dans The Astrophysical Journal un article également en accès libre sur arXiv qui propose une solution à ces énigmes. Il aurait certainement retenu l'attention d'André Brahic, s'il était encore parmi nous.

Les astrophysiciens ont mobilisé les ressources d'un supercalculateur pour examiner à nouveau une hypothèse avancée depuis un certain temps déjà, et explorée par des spécialistes des simulations de la formation des planètes du Système solaire, comme Alessandro Morbidelli, l'astronome et planétologue italien, particulièrement connu pour son travail à l'observatoire de la Côte d'Azur à Nice (voir le précédent article de Futura sur le même sujet, ci-dessous).

Un extrait d'une des simulations numériques effectuées rend compte de l'inclinaison de l'axe d'Uranus. © DurhamUniversity

Une collision entre Uranus et une petite superterre ?

Pour expliquer la curieuse inclinaison de l'axe d'Uranus, on a tout naturellement proposé qu'elle résulte de l'impact d'un corps céleste de taille relativement importante avec la géante. Rappelons que contrairement à ce que l'on laisse souvent entendre, Uranus, comme Neptune, n'est pas une géante gazeuse comme Jupiter ou Saturne. Elle doit posséder un noyau rocheux conséquent enrobé par un important manteau de glaces (pas seulement d'eau), lui-même surmonté par une atmosphère épaisse mais moins que son manteau.

L'hypothèse n'est pas sans poser quelques problèmes avec les caractéristiques des satellites d'Uranus, mais des solutions ont déjà été proposées notamment par Alessandro Morbidelli et ses collègues.

Toujours est-il qu'aujourd'hui les astronomes avancent que leurs simulations conduisent à la conclusion que l'inclinaison de l'axe d'Uranus s'explique bien si la géante glacée a été percutée tangentiellement par un corps d'au moins deux fois la masse de la Terre il y a environ 4 milliards d'années. Ce n'est pas la première fois que l'on postule l'existence de planètes de grandes tailles, aujourd'hui disparues, dans le passé reculé de l'histoire du Système solaire. On soupçonne, par exemple, que le jeune Soleil pourrait avoir avalé plusieurs superterres. Et bien évidemment, une collision entre la Terre et une planète de la taille de Mars, Théia, a été proposée, là aussi calculs sur ordinateur à l'appui, pour rendre compte de l'existence de la Lune et de ses caractéristiques.

Les simulations suggèrent que des débris rocheux sont retombés en formant une sorte de coque isolante sur le manteau de glace d'Uranus, ce qui expliquerait pourquoi le flux de chaleur dégagé par la  planète est plus faible que celui auquel on s'attendait. Des masses rocheuses importantes ayant plongé dans ce manteau, cela pourrait aider à comprendre pourquoi l'axe du champ magnétique n'est pas non plus conforme aux prévisions des planétologues.

Enfin, un mélange de débris rocheux et de glaces éjecté par l'impact aurait servi de matériau de base pour former par accrétion les lunes d’Uranus. Ceci expliquerait pourquoi elles sont différentes de celles de Saturne et Neptune.

Ce nouveau modèle pourrait nous aider aussi à comprendre les exoplanètes qui ressemblent à Uranus et que l'on observe dans la Voie lactée.

  • L'axe de rotation d'Uranus fait près de 98 ° avec son plan orbital alors que les axes de la majorité des autres planètes du Système solaire sont plutôt perpendiculaires.
  • Le champ magnétique d'Uranus fait lui aussi un angle assez important avec son axe de rotation ce qui n'est pas le cas avec les autres planètes douées d'un champ magnétique.
  • Des simulations numériques suggèrent une solution à ces énigmes en faisant intervenir une collision transverse entre Uranus et une planète rocheuse au moins deux fois plus massive que la Terre, une petite superterre donc, il y a 4 milliards d'années environ.
  • La collision aurait fait basculer l'axe d'Uranus tout en éjectant roches et glaces issues du manteau glacé de la planète dans l'espace où par accrétion ces matériaux donneront les satellites d'Uranus.
Pour en savoir plus

Uranus aurait basculé en plusieurs fois

Article de Jean-Baptiste Feldmann publié le 24/10/2011

Plus de 1.500 scientifiques se sont retrouvés début octobre pour un congrès européen de planétologie faisant le point sur les connaissances actuelles dans ce domaine. Une équipe internationale a présenté une nouvelle hypothèse pour expliquer le basculement d'Uranus.

  • Découvrez la planète Uranus en image

Du 2 au 7 octobre la ville de Nantes accueillait l'European Planetary Science Congress and Division for Planetary Sciences (EPSC-DPS). Cinq jours d'échanges entre planétologues et de conférences pour présenter les derniers résultats concernant l'étude de notre Système solaire. Sous la direction d'Alessandro Morbidelli (observatoire de la Côte d'Azur), un groupe de chercheurs a présenté les résultats de nouvelles simulations pour expliquer le basculement d'Uranus.

On sait que la septième planète du Système solaire découverte par l'astronome William Herschel en mars 1781 se différencie des autres par son axe de rotation qui se situe pratiquement dans son plan de révolution autour du Soleil, en faisant une planète penchée. Alors que l'angle d'inclinaison de cet axe est de 3 degrés pour Jupiter, 23 degrés pour la Terre, 29 degrés pour Saturne et Neptune, il atteint 98 degrés pour Uranus. On a d'abord tenté de répondre à cette anomalie en invoquant une collision avec une protoplanète au début de la formation du Système solaire, une théorie qui s'accordait mal avec la présence actuelle de satellites dans le plan équatorial de la planète (si la planète avait basculé brutalement, les satellites n'auraient pas suivi).

William Herschel (1738-1822) est sans doute le plus célèbre astronome du 18e siècle. On lui doit notamment la découverte d'Uranus. © Royal Astronomical Society

Au moins deux chocs

Il y a un an des astronomes de l'observatoire de Paris avaient proposé un autre scénario. Selon eux, la présence d'un nouveau satellite à proximité d'Uranus aurait pu provoquer l'entrée en résonance spin-orbite de la planète qui se serait alors mise à basculer lentement avec ses satellites. Après avoir réalisé de multiples simulations, l'équipe d'A. Morbidelli est parvenue à la conclusion que l'ancienne théorie de l'impact pouvait expliquer la position actuelle des satellites à condition que cette collision se soit produite à une époque où la planète était encore entourée d'un disque de débris (qui formeraient plus tard les anneaux et les satellites).

Après l'impact ce disque se serait reformé comme un beignet autour de l'équateur de la planète inclinée, ce qui aurait donné naissance ultérieurement aux satellites circulant sur des orbites elles aussi inclinées. Seul bémol : dans ce scénario les simulations indiquent que les satellites devraient avoir des mouvements rétrogrades ! L'équipe d'A. Morbidelli a donc repris ses calculs pour les affiner. Pour expliquer le mouvement des satellites tels que nous les connaissons, les planétologues sont arrivés à la conclusion qu'il fallait envisager non pas un mais au moins deux impacts plus petits.

Selon A. Morbidelli, « la théorie classique expliquant la formation des planètes suppose une accrétion de petits corps dans le disque protoplanétaire sans qu'intervienne la moindre collision. Si Uranus a été victime d'impacts significatifs à au moins deux reprises cela veut dire qu'il nous faut revoir cette théorie ». Et l'on peut imaginer que si de tels impacts ont concerné Uranus, ils pourraient aussi expliquer l'inclinaison assez prononcée des axes de rotation de Saturne et Neptune...        

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