Une vue d'artiste d'un disque protoplanétaire avec une exoplanète en formation creusant dans ce disque. © NAOJ
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Le disque protoplanétaire du Système solaire était coupé en deux et on ne sait pas pourquoi

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[EN VIDÉO] Système solaire : embarquement immédiat  Découvrez le Système solaire : c'est un voyage incroyable auquel nous nous invitons. Nous partirons du Soleil pour nous arrêter devant Pluton. 

Les météorites sont une des plus importantes, si ce n'est la plus importante mémoire de l'histoire de la formation du Système solaire. Leur étude du point de vue de la cosmochimie, de l'électrodynamique cosmique et du paléomagnétisme suggère l'existence d'un « gap », une séparation en deux anneaux homocentriques du disque protoplanétaire où sont nées les planètes il y a 4,5 milliards d'années mais dont on comprend mal l'origine.

Il n'y a plus de doute depuis des décennies que le Système solaire s'est formé il y a environ 4,5 milliards d'années à la suite de l'effondrement d'un nuage de gaz et de poussières turbulent et en rotation. La force centrifuge perpendiculaire à l'axe de rotation de la nébuleuse protosolaire s'est opposée partiellement à l'effondrement gravitationnel de sorte qu'il s'est constitué un disque protoplanétaire entourant le jeune Soleil. Des processus d'accrétion vont y faire naître et grandir des planètes, comme l'a montré Viktor Safronov et comme l'explique Sean Raymond dans la vidéo ci-dessous.

La compression de la matière a chauffé le disque, et bien sûr le proto-Soleil, au point de l'ioniser de sorte qu'en plus des forces gravitationnelles, des forces électromagnétiques relevant de la physique des plasmas étaient aussi présentes, avec des courants électriques et des champs magnétiques relevant d'une électrodynamique cosmique pour reprendre les termes du prix Nobel de physique Hannes Alfvén.

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 : 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

La formation du Système solaire, c'est aussi une question de chimie dans le disque protoplanétaire qui s'est refroidi et était plus chaud proche du Soleil. Nous voyons donc dans les météorites et les comètes, bien sûr avec les planètes, l'existence d'un gradient chimique qui a fait que des poussières silicatées largement entourées de glaces (pas seulement d'eau mais aussi par exemple de gaz carbonique) étaient présentes au-delà de l'orbite de Mars et ont donné naissance aux géantes gazeuses et surtout de glaces que sont Uranus et Neptune. Les planètes rocheuses internes se sont formées avec un contenu en éléments volatils beaucoup plus faibles.

Les météorites qui viennent de la fragmentation des petits corps célestes lors de collisions et qui sont présents dans la fameuse ceinture principale d'astéroïdes gardent la mémoire de l'histoire de ces processus non seulement au niveau chimique et minéralogique mais aussi magnétique.

Le paléomagnétisme du disque protoplanétaire

Benjamin Weiss, professeur de sciences planétaires au Département des sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes (EAPS) du MIT (Massachusetts institute of technology) le sait bien et depuis un moment, dans son groupe de recherche, il essaye de lire la mémoire magnétique des météorites et même des roches lunaires. En se refroidissant, la matière du disque protoplanétaire a donné naissance à des structures minérales primitives que l'on appelle des chondres (chondrules en anglais, du grec ancien χόνδρος - khόndros - (petit grain ou cartilage), et qui ont donné leur nom aux chondrites, les météorites qui en contiennent. Comme dans le cas des laves sur Terre, les chondres ont enregistré l'intensité du paléomagnétisme dans le disque protoplanétaire. On peut mesurer ces champs fossilisés avec des détecteurs supraconducteurs exploitant la physique quantique et que l'on appelle des Squid (Superconducting quantum interference devices).

Weiss et ses collègues viennent de faire une intéressante découverte à ce sujet, comme les chercheurs l'expliquent dans un article publié dans Science Advances mais que l'on peut aussi trouver en accès libre sur arXiv.

La formation du Système solaire et les météorites. © Chaîne IPGP

Weiss et ses collègues ont montré qu'il existait deux groupes bien distincts de chondrites, non carbonées et carbonées, du point de vue des intensités des champs magnétiques mesurés. Le premier exhibe des intensités d'environ 50 microteslas et le second d'environ 100 microteslas. Curieusement, on sait que le premier groupe représente des corps qui se sont formés plus près du Soleil que Mars alors que l'on pouvait naïvement s'attendre à des champs magnétiques plus importants proches de notre étoile.

Remarquablement, les deux groupes correspondent bien à une dichotomie connue de longue date par les cosmochimistes qui avaient remarqué une curieuse séparation au niveau du contenu isotopique des météorites et qui restait une énigme connue justement sous le nom de celle de la « dichotomie isotopique ».

Mais les mesures de champs magnétiques, qui ont été réalisées afin de s'affranchir de la possibilité que les champs enregistrés soient ceux de petits corps célestes ayant développé une analogue de la géodynamo sur Terre, permettent d'envisager un début d'explication.

Les modèles permettent de rendre compte d'une dichotomie magnétique dans le disque protoplanétaire s'il est séparé en deux avec une partie externe qui accrète plus de matière que la partie interne. Cette séparation physique est aussi une séparation chimique ayant influencé l'évolution du disque protoplanétaire en deux réservoirs distincts.

Par contre, on ne sait pas très bien ce qui aurait causé cette séparation, des vents de matière magnétiques comme le laissent penser certains calculs, l'effet de la gravitation de Jupiter et de migrations planétaires ? On ne le sait pas encore.

Ce qui est certain, c'est que des séparations similaires ont été mises directement en évidence en observant des disques protoplanétaires actuels dans la Voie lactée, notamment avec le réseau de radiotélescopes Alma au Chili.

Pour en savoir plus

Disques protoplanétaires : une étonnante diversité dans le cosmos

Article de Laurent Sacco publié le 16/04/2018

L'instrument Sphere du VLT permet aux astronomes de former des images directes d'exoplanètes et de disques protoplanétaires, similaires à celui où sont nées les planètes du Système solaire. Ces disques apparaissent maintenant avec un zoo de formes et de tailles, plus diverses que l'on ne l'imaginait.

André Brahic aimait souligner que l'exploration du Système solaire à laquelle il avait participé avec les missions Voyager puis avec celle de Cassini avaient montré sa grande diversité. Les surprises étaient au rendez-vous et cela n'a pas changé quand ce fut le tour de la rencontre entre Pluton, son satellite Charon et la sonde de la mission New Horizons.

Les astrophysiciens du XXIe siècle sont devenus plus ambitieux puisqu'ils explorent désormais le monde des exoplanètes et qu'ils multiplient les observations des disques protoplanétaires autour des jeunes étoiles. Ils espèrent mieux comprendre encore la cosmogonie des planètes du Système solaire et mieux contraindre les théories modernes, héritières de celle proposée par Kant et Laplace, pour expliquer la naissance de ces astres avec la formation de ce type de disque de matière.

Ils ont développé l'instrument Sphere (Spectro Polarimetric High contrast Exoplanet REsearch) qui équipe le Very Large Telescope (VLT) de l'ESO au Chili depuis 2014. Il permet de faire de l'imagerie directe des exoplanètes mais aussi des disques protoplanétaires, malgré le rayonnement bien plus intense de leurs étoiles hôtes, dans une certaine mesure tout au moins.

De nouvelles images acquises par l’instrument Sphere révèlent, avec des détails insoupçonnés, les disques de poussière autour de jeunes étoiles proches. 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 ». © European Southern Observatory (ESO)

Sphere a permis aux chercheurs de mener une campagne d'observation baptisée DARTTS-S (Disques Autour des Etoiles T-Tauri avec Sphere) concernant des étoiles de type T-Tauri à des distances de 230 à 550 années-lumière du Soleil. Ces étoiles, moins de trois fois plus massives que le Soleil, ne sont pourtant pas encore sur la séquence principale, car ce sont en fait de jeunes protoétoiles dont les âges sont inférieurs à 10 millions d'années.

Les étoiles T-Tauri, un laboratoire d'étude de la naissance des planètes

Elles sont entourées d'un disque protoplanétaire et sont particulièrement lumineuses car même pour une masse équivalente à celle du Soleil, elles ont un rayon plus grand et donc une surface d'émission de la lumière plus importante. Elles sont encore en contraction gravitationnelle de sorte qu'elles ne tirent pas leur énergie de la fusion thermonucléaire de l'hydrogène (bien que peut-être, parfois, en partie de celle du lithium), mais bien du mécanisme de Kelvin-Helmoltz.

On considère que les étoiles T-Tauri sont de bons laboratoires pour observer en direct l'équivalent de la naissance du Système solaire et ses étapes, alors que les planètes se formaient dans son disque protoplanétaire.

L’instrument Sphere installé sur le Very Large Telescope de l’ESO révèle les disques de poussière autour de jeunes étoiles proches. Tous arborent des formes, des dimensions ainsi que des structures différentes, et témoignent des probables effets des processus de formation planétaire. © ESO/H. Avenhaus et al./E. Sissa et al./DARTT-S and SHINE collaborations

DARTTS-S vient de faire l'objet de deux publications sur arXiv et de nouveau les astronomes sont surpris par la diversité découverte, comme le montre en images, un véritable zoo de disques qui diffèrent nettement les uns des autres en termes de dimensions et de formes. Certains sont composés d'anneaux brillants alors que d'autres exhibent des anneaux sombres.

Les astrophysiciens sont particulièrement intéressés par le cas de l'étoile GSC 07396-00759, une naine rouge de type M qui fait partie d'un système triple car elle orbite autour d'une étoile double formée de deux astres de type T-Tauri : V4046 Sagittarii. Ces deux étoiles sont nées ensemble et curieusement, elles ne sont pas entourées d'un même disque protoplanétaire, alors qu'ils devraient avoir évolué en parallèle et avec un matériau similaire. Là encore, il y a une diversité à comprendre pour progresser dans notre quête des origines, du Big Bang au vivant, et de notre place dans l'univers observable avec peut-être de la vie ailleurs.

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