Une vue d'artiste d'un disque protoplanétaire avec une exoplanète en formation creusant dans ce disque. © NAOJ
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La structure du Système solaire serait héritée d'anneaux dans son disque protoplanétaire

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Des simulations numériques permettent de donner une nouvelle interprétation des images de disques protoplanétaires fournies par le réseau de radiotélescopes Alma. Celui à l'origine du Système solaire aurait été formé de trois anneaux de matière dans lesquels les planètes seraient nées à partir de planétésimaux formés de la matière poussiéreuse confinée dans ces anneaux.

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La cosmogonie du Système solaire est un sujet absolument fascinant qui combine des considérations savantes de mécanique céleste, d'hydrodynamique et de théorie cinétique des gaz mais aussi de cosmochimie. Dès le XIXe siècle, la science positive - pour reprendre les mots d'Auguste Comte - s'approprie l'étude de l'origine du Système solaire en se basant initialement sur les réflexions et les idées d'Emmanuel Kant et Pierre Laplace sur la formation par effondrement gravitationnel à partir d'un nuage de matière d'un disque protoplanétaire entourant le jeune Soleil et où la matière initialement chauffée par cet effondrement, ou par une autre raison, va se condenser en donnant les planètes.

Au tout début du XXe siècle, bien des théories cosmogoniques ont déjà été proposées à la suite des précédentes et elles sont magistralement exposées dans le traité de Poincaré. Toutefois, il est juste de dire pour la cosmogonie du Système solaire que l'équivalent de la révolution scientifique apportée par Newton en physique et astronomie ne prend vraiment corps qu'au cours des années 1960 à 1970, dans le cadre de la théorie de l'accrétion développée initialement et principalement par le Russe Viktor Safronov et l'États-unien George Wetherill.

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

Les planétésimaux de Chamberlin-Moulton

Il a en a résulté un scénario de la formation des planètes basé sur la physique et la chimie du Système solaire qui dans ses grandes lignes est accepté aujourd'hui, étant en plus soutenu par les observations concernant de jeunes systèmes planétaires en formation. Une bonne présentation en est donnée dans une série de vidéos dont la première est avec les explications, ci-dessus, de Alessandro Morbidelli, l'astronome et planétologue italien de l'observatoire de la Côte d'Azur, particulièrement connu pour ses travaux sur la dynamique du Système solaire, et Sean Raymond, chercheur au Laboratoire d'astrophysique de Bordeaux et également bien connu pour ses travaux dans le même domaine.

On fait ainsi connaissance dans cette vidéo avec l'hypothèse des planétésimaux dite de Chamberlin-Moulton, initialement proposée en 1905 par le géologue Thomas Chrowder Chamberlin et l'astronome Forest Ray Moulton pour décrire la formation du Système solaire. Elle faisait intervenir toute une série de petits corps dispersés dans un plan orbital autour du Soleil, des briques de futures planètes, qui allaient s'attirer gravitationnellement pour entrer en collision et se coller en faisant croître les embryons de planètes résultant par effet boule de neige, c'est-à-dire précisément le mécanisme de base derrière les calculs de Safronov et Whetherill.

Dans son impressionnante introduction à l’astronomie publiée en 1916, Forest Ray Moulton exposait une théorie possible de l'origine de ces planétésimaux fondée sur les observations de ses collègues de l'époque concernant les galaxies et les nébuleuses, dont on ignorait encore la nature exacte et surtout les distances.

Il y a longtemps, une étoile dans la Voie lactée serait passée trop proche du Soleil, lui arrachant par ses forces de marée des bras de matière chaude qui, en se condensant, allaient donner précisément les planétésimaux. Forest Ray Moulton montrait à l'appui de cette théorie des images de galaxies spirales.

Aujourd'hui, une équipe internationale d'astrophysiciens menée par André Izidoro de l'Université Rice, mais qui comprend aussi Sean Raymond et Bertram Bitsch de l'Institut Max-Planck d'astronomie, vient de publier les résultats d'un fascinant travail sur la cosmogonie du Système solaire dans le célèbre journal Nature Astronomy.

Remarquablement, ce travail qui porte sur les planétésimaux est en résonance avec des images de disques protoplanétaires semblables à celui de l'aube du Système solaire et qui ont été révélées par le réseau de radiotélescopes Alma (Atacama Large Millimeter Array) au Chili. Mais nous avons bien progressé du point de vue observationnel aussi bien que théorique depuis les temps de Forest Ray Moulton.

ESOcast 69 présente le résultat d'observations d'Alma, qui révèlent des détails extraordinairement fins qui n'ont jamais été vus auparavant dans le disque formant une planète autour de la jeune étoile HL Tauri. Il s'agit de l'image la plus nette jamais réalisée à des longueurs d'onde submillimétriques. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Cherchez à faire apparaître des sous-titres en anglais et enfin cliquez sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © European Southern Observatory (ESO)

Des bosses dans le champ de pression des disques protoplanétaires

C'est en voulant comprendre par des simulations numériques les anneaux révélés par les télescopes, notamment ceux de HL Tauri, que l'équipe de chercheurs est arrivée à la conclusion que le disque protoplanétaire du Système solaire devait lui-même en contenir trois, délimitant des réservoirs chimiques bien précis et relativement isolés les uns des autres et surtout rendant bien compte des tailles et des compositions des corps planétaires du Système solaire et de leur répartition.

Comme on l'avait compris de longue date, tout est le produit d'interaction entre la chimie et la physique.

On est ainsi en présence de champs de température et de pression dans un disque protoplanétaire avec un gradient chimique et diverses forces en présence, la gravitation comme des forces de frottement, la pression de la lumière et d'autres forces relevant de l'électromagnétisme.

Les calculs montrent aujourd'hui que les anneaux résulteraient de bosses dans les champs de pression, de sorte que les régions internes soient le lieu de pressions inférieures à celles aux bords externes des anneaux qui sont donc des pièges à poussières et cailloux, bloquant leur dérive sous l'effet du frottement avec le gaz en direction de l'étoile centrale.

En ajoutant le gradient de température pour la condensation initiale des poussières, on trouve alors un premier anneau qui débute lorsque la température est en dessous de 1.400 kelvins, ce qui permet aux silicates de se condenser. C'est dans cet anneau que les planètes rocheuses du Système solaire vont se former à partir d'embryons planétaires dépassant les 1.000 kilomètres de taille.

Un second anneau débute lorsque les températures sont en dessous de 170 kelvins, ce qui, compte tenu des basses pressions, permet à la vapeur d'eau d'effectuer une transition de phase directement vers la forme solide à partir d'un certain éloignement d'un soleil et qui va définir ce que l'on appelle la ligne de neige d'eau. C'est dans cet anneau que les planètes géantes, les gazeuses Jupiter et Saturne, celle de glaces comme Uranus et Neptune, vont naître.

À des températures encore plus basses, 30 kelvins, la glace qui peut se former est celle du monoxyde de carbone (CO) et ceci rend compte des corps transneptuniens de la ceinture de Kuiper et donc de Pluton, qui se sont donc formés au-delà de la ligne de neige carbonique.

Donc, contrairement à ce qu'expliquait il y a quelque temps l'ESOCast ci-dessus, la structure en anneaux précéderait la formation des planètes et les régions de sous-densités et de sous-pressions ne seraient pas les produits des planètes accrétant de la matière sur leur passage et creusant dans le disque protoplanétaire contenant encore du gaz. Les anneaux seraient au contraire des régions piégeant de la matière avec une composition chimique donnée et où la formation planétaire se poursuit des cailloux aux embryons planétaires, avec des planétésimaux propres à chaque anneau et où leur formation est facilitée.

Dans le nouveau modèle des débuts du Système solaire, trois anneaux de planétésimaux se forment, liés aux lignes de condensation/évaporation ou « neige » des silicates, de l'eau et du monoxyde de carbone (CO). Les deux principales classes de météorites – CC (pour les chondrites carbonées) et NC (pour les non carbonées) – représentent des planétésimaux qui se sont formés dans les anneaux intermédiaires et intérieurs et se sont ensuite dispersés dans la ceinture principale d'astéroïdes. © Rajdeep Dasgupta

L'origine de la ceinture principale d'astéroïdes

Certaines des simulations montrent clairement que de deux à trois masses terrestres se trouvaient dans le premier anneau de poussière et de gaz, ce qui correspond bien à la quantité de matière présente de Mercure à Mars. Cette dernière se forme dans la partie externe du disque, ce qui rend bien compte de la composition de la Planète rouge déduite en partie des météorites martiennes.

Dans le second anneau, de 50 à 100 fois la masse de la Terre devait se retrouver sous forme de planétésimaux très nombreux, ce qui là aussi correspond au scénario de formation des géantes à partir de noyaux rocheux contenant de 10 à 20 masses terrestres et qui une fois formés ont attiré à eux très rapidement du gaz pour donner Jupiter et Saturne.

Dans les simulations, aucune planète ne se forme au niveau de la ceinture principale d'astéroïdes, qui sera remplie plus tard à partir de planétésimaux éjectés pour diverses raisons des régions occupées par les anneaux. C'est pour cette raison que les météorites que l'on sait provenir principalement de cette ceinture sont de compositions très diverses mais que l'on peut grossièrement répartir en deux classes, les chondrites carbonées issues d'au-delà de la première ligne de neige et les chondrites non carbonées, vestiges de l'anneau le plus interne.

En fait, il y a quelques années, Sean Raymond et Andre Izidoro avaient conduit des simulations qui montraient que Jupiter et ses perturbations gravitationnelles n'auraient pas dépeuplé la ceinture principale d'astéroïdes comme on l'avançait parfois, inhibant la formation d'une planète, mais tout au contraire, la géante gazeuse aurait injecté des astéroïdes dans cette région qui en était auparavant dépourvue. En bonus, les simulations des deux chercheurs rendaient compte précisément des proportions d'astéroïdes C (carbonés) et S (silicatés) dans la ceinture principale.

Les proportions des différents types d'astéroïdes dans la ceinture principale en fonction de la distance au Soleil en unité astronomique (UA), c'est-à-dire la distance de la Terre au Soleil, soit environ 150 millions de kilomètres. © Gradie & Tedesco

Le Système solaire serait exotique dans la Voie lactée

L'avantage des simulations numériques, c'est qu'elles permettent de faire des expériences avec des systèmes physiques a priori incontrôlables dans un laboratoire pour l'Homo sapiens, comme des étoiles ou des disques protoplanétaires justement. On peut donc faire des expériences virtuelles pour comprendre comment de tels changements de paramètres, en l'occurrence la composition et le champ de température dans un disque protoplanétaire, vont influencer la dynamique des objets physiques étudiés.

Les simulations de Andre Izidoro, Rajdeep Dasgupta, Sean N. Raymond, Rogerio Deienno, Bertram Bitsch, et Andrea Isella ont donc permis de faire des découvertes intéressantes car elles s'appliquent non seulement à l'investigation des arcanes de la formation du Système solaire, mais aussi de ceux constitués d'exoplanètes que l'on a pu étudier.

Ainsi, les calculs montrent-ils que certains disques protoplanétaires doivent se former avec non pas trois mais deux anneaux. Surtout ils indiquent que l'on obtient une structure qui ressemble beaucoup à celle du Système solaire si la ligne de neige glace-eau s'est formée très tôt dans le disque.

Dans le cas contraire, plus de masse va se retrouver piégée dans l'anneau le plus interne, ce qui va plutôt conduire à la formation de super-Terres et de mini-Neptunes. De fait, c'est ce cas qui semble être favorisé au moins dans les régions de la Voie lactée où l'on a chassé des exoplanètes, ce qui laisse penser que notre Système solaire est plutôt une rareté.

Voilà une information intéressante pour l'exobiologie et les tentatives pour déterminer les valeurs de l'équation de Drake.

Pour en savoir plus

Le disque protoplanétaire du Système solaire était coupé en deux et on ne sait pas pourquoi

Article de Laurent Sacco publié 01/11/2021

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-dessus.

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.

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.


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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