Pour tenter d’expliquer la structure de notre Système solaire et les processus qui ont mené à la formation de ses planètes, les scientifiques émettent depuis longtemps l’hypothèse que des matériaux glacés, qui se sont formés dans la région externe et froide de notre système stellaire, ont dû à un moment migrer vers le Soleil, apportant au passage de l’eau aux planètes rocheuses internes, comme la Terre. Les observations réalisées par le télescope spatial James-Webb sur des disques protoplanétaires, dans lesquels des planètes sont en cours de formation autour d’une étoile, semblent confirmer cette hypothèse.
au sommaire
Selon les modèles les plus communément acceptés, notre Système solaire a commencé à se former il y a environ 4,6 milliards d'années à partir d'un gigantesque nuagenuage de gaz principalement composé d'hydrogène et d'hélium. De faibles variations de densité dans le nuage ont entraîné son effondrementeffondrement sur lui-même : on parle d'effondrement gravitationnel. Au fur et à mesure que le nuage se contractait, sa vitesse de rotationvitesse de rotation a progressivement augmenté tandis que la majeure partie de la matière s'agglutinait vers le centre, formant le jeune Soleil ; le reste a formé le disque protoplanétaire, orbitant autour de la jeune étoileétoile, constitué de gaz et de poussières. En se rencontrant, ces derniers ont commencé à s'agglomérer pour former de plus gros blocs qui, au fil des collisions successives, se sont progressivement agrandis pour former des planétésimaux - des embryonsembryons de planètes qui évoluent dans un disque protoplanétaire.
Partez à la rencontre du JWST avec Pierre Henriquet, plus connu sous le nom spatial d'Astropierre. © Futura
Des dynamiques complexes dans le disque protoplanétaire
La chaleurchaleur qui règne dans la région proche du SoleilSoleil, que l'on appelle Système solaireSystème solaire interne, ne permet pas aux moléculesmolécules et éléments légers, comme l'eau, de se condenser. Les planètes qui se forment dans cette région sont ainsi principalement constituées de composants plus lourds, comme le ferfer ou les roches silicatées : les planétésimaux proches du Soleil forment des planètes rocheuses, petites et denses, qui deviendront les quatre planètes telluriquesplanètes telluriques que nous connaissons aujourd'hui (MercureMercure, VénusVénus, la Terre et Mars). Dans le Système solaire externe en revanche, il fait assez froid pour que les molécules et éléments volatils demeurent à l'état solideétat solide. Les planétésimaux qui s'y forment agrègent petit à petit l'hydrogène et l'hélium du disque protoplanétaire, éléments les plus légers mais également les plus abondants. Ils forment ainsi des planètes gazeusesplanètes gazeuses (JupiterJupiter, SaturneSaturne, UranusUranus et NeptuneNeptune), bien plus lourdes et imposantes que les planètes telluriques, mais aussi bien moins denses. Ce modèle global décrit bien ce que l'on observe dans notre Système solaire actuel, à une exception près : si l'eau n'a pas pu se condenser dans le Système solaire interne lors de la formation des planètes, comment des océans ont pu se former à la surface de notre Planète ?
Cette animation montre l'évolution d'un disque protoplanétaire autour d'une étoile. Des trous apparaissent au fur et à mesure que les planètes se forment, agglutinant les gaz et les poussières. © ExploreAstro
Pour expliquer la présence d'eau sur certaines planètes telluriques (comme la Terre ou même Mars), les scientifiques suggèrent depuis longtemps que lors de la contraction du disque protoplanétaire, de petits blocs recouverts de glaces - constitués d'éléments légers, comme l'eau, à l'état solide - initialement formés dans les régions externes du Système solaire ont migré en direction du Soleil, permettant l'enrichissement en eau de la région interne et des planétésimaux qui s'y trouvaient. Si cette hypothèse semble plausible, il est impossible de remonter le temps pour la vérifier.
Des disques protoplanétaires scrutés par le télescope spatial James-Webb
Lancé en 2021, le télescope spatialtélescope spatial James-Webb a été, entre autres, conçu pour observer la formation des étoiles et des systèmes planétaires. En analysant les données récoltées par son spectro-imageur Miri (Mid InfraRed Instrument, qui permet par exemple d'analyser la composition chimique des atmosphèresatmosphères d'exoplanètesexoplanètes ou des disques protoplanétaires) lorsqu'il observait quatre disques protoplanétaires situés dans la constellation du Taureauconstellation du Taureau, une équipe de scientifiques a fait une découverte cruciale pour notre compréhension de la formation des systèmes planétaires. Ils présentent leurs résultats dans la revue The Astrophysical Journal Letters.
Les disques protoplanétaires observés - deux compacts et deux plus étendus - entourent de très jeunes étoiles (2 à 3 millions d'années), de la même famille que notre Soleil. Selon les scientifiques, l'hypothèse de la migration d'éléments légers et glacés vers l'intérieur du disque protoplanétaire semble mieux fonctionner pour les disques protoplanétaires compacts que pour les disques protoplanétaires plus étendus : ces derniers sont plus susceptibles de comporter des zones dans lesquelles la pressionpression, plus importante, tend à piéger la matière gelée, freinant considérablement sa migration vers le centre. En partant de ce principe, les auteurs ont estimé que l'observation d'une plus grande quantité d'eau dans les régions internes des disques compacts que dans les disques étendus confirmerait cette hypothèse.
Et c'est exactement ce que James-Webb a observé : en analysant ses données, l'équipe de chercheurs a révélé un excès d'eau dans les régions internes des deux disques protoplanétaires compacts, comparées aux régions internes des disques étendus. Selon leurs résultats, les matériaux glacés tendent à se retrouver piégés dans les zones de plus fortes pressions des disques étendus, les empêchant d'atteindre la région interne. Les chercheurs estiment d'ailleurs que la planète Jupiter, la plus massive de notre Système solaire, a potentiellement joué ce rôle lors de la formation des planètes, inhibant l'enrichissement en eau du Système solaire interne et des planètes telluriques relativement pauvres en eau. S'il est initialement conçu pour observer les confins de l'UniversUnivers, le télescope spatial James-Webbtélescope spatial James-Webb peut aussi nous permettre d'en apprendre plus sur notre propre Système solaire !
