Jupiter vue par la sonde Cassini en route vers Saturne. © Nasa

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Jupiter aurait avalé une planète géante il y a plus de 4,5 milliards d'années

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La sonde Juno a fait des observations concernant le champ de gravité de Jupiter qui précise sa structure interne. Cette structure ne cadre pas avec les modèles de formation de la géante, sauf à faire intervenir une collision avec un embryon planétaire rocheux de 10 masses terrestres il y a plus de 4,5 milliards d'années.

Actuellement, le scénario de la formation des planètes géantes qui est favorisé est le suivant. Au-delà de la fameuse ligne des glaces dans le Système solaire, ce sont des particules constituées de grains silicatés, enrobés de glace, qui se sont condensées dans le disque protoplanétaire au début de sa naissance il y a plus de 4,5 milliards d'années. Grâce à cette glace, la quantité de matière pour la formation planétaire par accrétion était plus importante que pour les planètes rocheuses plus proches du Soleil.

Il était donc facile de former des embryons planétaires constitués de glace et de roches de plusieurs fois la masse de la Terre. Les simulations numériques et les calculs analytiques nous montrent alors qu'au-delà de 10 masses terrestres, ces embryons commencent à accréter significativement mais lentement du gaz, jusqu'à un point où le processus s'accélère et où l'effondrement gravitationnel du gaz environnant est rapide et important.

Un disque protoplanétaire riche en gaz ne dure qu'une dizaine de millions d'années, c'est donc le temps maximal pour former une géante. Elle est gazeuse comme Jupiter et Saturne, car constituée principalement de gaz, ou glacée comme Uranus et Neptune, lorsqu'au contraire l'accrétion de gaz a été limitée et que la majeure partie de la planète est formée de glaces (pas uniquement d'eau) avec des roches.

Pour vérifier et contraindre les modèles cosmogoniques des géantes, il faut explorer notamment leur structure interne et c'est ce qu'est en train de faire la sonde Juno en cartographiant le champ de gravité de Jupiter comme jamais. Comme ce qui s'est fait sur Terre et pour la Lune avec des missions en orbite effectuant des mesures gravimétriques, il est possible de résoudre ce que l'on appelle en physique mathématique un problème inverse. En clair, il s'agit de remonter aux caractéristiques de la source d'un signal en analysant ce signal. Nos oreilles, et surtout notre cerveau, font naturellement cela lorsque nous écoutons le son produit par un instrument de musique ou le choc de deux objets, par exemple du métal qui résonne sous un coup ou un verre qui se brise.

Une vidéo exposant la théorie d'un impact géant au début de l'histoire de Jupiter, expliquant les caractéristiques des données gravimétriques fournies par la sonde Juno autour de Jupiter. 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 ». © Rice University

Juno sonde l'intérieur de Jupiter grâce à la gravité

Il se trouve qu'une équipe internationale de planétologues, essentiellement états-uniens et chinois, vient de faire l'annonce d'une possible découverte spectaculaire, en ce qui concerne l'histoire primitive de la genèse de Jupiter, en exploitant les données gravimétriques de Juno, comme les chercheurs l'expliquent dans une publication du journal Nature.

Le profil de la densité de matière à l'intérieur de Jupiter devait correspondre peu ou prou à celui prédit par le modèle de la formation de la géante gazeuse, c'est-à-dire un noyau rocheux et glacé dense bien concentré. Or, ce n'est pas ce que disent les mesures. Le cœur dense est plutôt dilué, s'étendant sur une région correspondant presque à la moitié du rayon de Jupiter. De plus, pour correspondre aux données, il faut admettre que ce noyau contient de dix à plusieurs dizaines de masses terrestres en éléments lourds, c'est-à-dire comme disent les astrophysiciens dans leur jargon des métaux, en fait des éléments autres que l'hélium et l'hydrogène qui constituent l'essentiel de la masse de Jupiter et aussi des étoiles sur la séquence principale.

Or le modèle de la formation de la géante est formel, l'essentiel des éléments lourds auraient dû se trouver piégé au moment de la formation du cœur rocheux et glacé, le processus même d'accrétion du gaz, en particulier lors de son emballement, n'ayant pas permis un apport supplémentaire important sous forme de poussières. La poursuite du processus d'accrétion plus tard, au cours de l'histoire du Système solaire avec des captures d'astéroïdes, de petites planètes ou de comètes riches en poussières n'ayant pas pu non plus faire augmenter significativement le contenu en éléments lourds.

Une vue d'artiste d'une possible collision, au tout début de la formation du Système solaire, entre la proto-Jupiter et un embryon planétaire solide d'environ 10 masses terrestres. © K. Suda & Y. Akimoto/Mabuchi Design Office, courtesy of Astrobiology Center, Japan

Une collision frontale avec un embryon planétaire

Par contre, simulations numériques à l'appui, il existe un moyen simple de rendre compte de ces observations : une collision géante au début de l'histoire du Système solaire entre la jeune Jupiter encore en formation et un embryon planétaire rocheux et glacé d'environ 10 masses terrestres.

Les simulations montrent qu'un impact de ce genre au cours des premiers millions d'années de la formation de Jupiter est assez plausible et qu'à cause de l'effet de focalisation de la planète, déjà très massive, au moins 30 masses terrestres, les collisions avaient plus de chances d'être frontales que tangentielles. Elles devraient même s'être produites alors que la géante n'avait pas encore accrété la moitié de son enveloppe gazeuse.

Avec un choc frontal, l'inclinaison de l'axe de Jupiter par rapport à la perpendiculaire au plan du Système solaire (3°) ne devrait pas avoir changé beaucoup. Ce n'est pas le cas des autres géantes : Saturne (27°), Uranus (98°) et Neptune (30°) dont les axes suggèrent également l'occurrence passée de collisions mais tangentielles.

S'enfonçant dans les profondeurs de Jupiter comme sous l'effet d'une balle, l'embryon planétaire serait entré en collision avec le cœur rocheux de la géante, les deux se fragmentant et se diluant dans l'enveloppe gazeuse. Les calculs montrent alors que, malgré l'état convectif de celle-ci, des milliards d'années plus tard, on peut effectivement obtenir le profil de densité avec des éléments lourds actuellement déduits des observations de Juno.

Du travail est sans doute encore nécessaire pour consolider cette fascinante théorie et la prudence s'impose encore tout de même à son sujet.

  • Les données gravimétriques de la sonde Juno permettent de dresser un profil de densité de l'intérieur de Jupiter et de poser des contraintes sur sa composition interne.
  • Les deux ne cadrent pas avec ce qui est attendu du modèle de la formation de la géante, son cœur est trop diffus et contient trop d'éléments plus lourds que l'hélium et l'hydrogène.
  • On peut expliquer ces données en faisant intervenir une collision précoce entre la proto-Jupiter en formation et un embryon planétaire solide riche en roches et glaces d'une masse d'environ 10 fois celle de la Terre.
  • Des simulations soutiennent cette hypothèse en rendant notamment probable un choc frontal, ce qui expliquerait pourquoi l'axe de rotation de Jupiter est resté presque perpendiculaire au plan du Système solaire comme attendu.
Pour en savoir plus

Le coeur de Jupiter pourrait être en train de disparaître

Article de Laurent Sacco publié le 21/12/2011

En calculant à l'aide de la mécanique quantique sur ordinateur le comportement des matériaux constituant probablement les cœurs de Jupiter et Saturne, des planétologues sont arrivés à la conclusion que ces cœurs seraient en train de se dissoudre au sein de l'hydrogène liquide métallique dans lequel ils baignent. 

Jupiter et Saturne sont les seules géantes gazeuses à portée de main de l'humanité. Comprendre leur structure et la façon dont elles se sont formées est donc important, non seulement pour retracer l'origine et la formation du Système solaire, mais aussi pour comprendre les exoplanètes découvertes depuis 1995 et qui sont, elles aussi, des géantes gazeuses.

L'une des questions qui se posent concernant ces deux planètes chères à André Brahic, c'est évidement celle de leur structure interne. Bien que majoritairement constituées d'hydrogène et d'hélium, on pense qu'elles possèdent un cœur rocheux avec des glaces. Mais il s'agit de spéculations basées sur ce que l'on peut mesurer à l'extérieur de ces planètes et sur les scénarios de formation du Système solaire.

En ce qui concerne Jupiter, on devrait tout de même en savoir plus à partir de 2016 lorsque la mission Juno se mettra en orbite autour de la planète. L'étude fine de son champ de gravitation devrait permettre de faire l'équivalent de ce que les géophysiciens appellent résoudre un problème inverse. Dans ce cas précis, il s'agira de dériver des contraintes sur sa distribution interne de masse à partir du champ de gravitation externe qu'elle engendre.

En attendant, la seule façon de tenter de comprendre le cœur de Jupiter, c'est d'utiliser des ordinateurs pour simuler le comportement de la matière soumise à des températures dépassant les 10.000 degrés et des pressions de plusieurs dizaines de milliers d'atmosphères.

Des cœurs qui se dissolvent dans l'hydrogène métallique liquide

C'est à ce jeu que joue depuis des années Burkhard Militzer, un assistant professeur en sciences planétaires et en astronomie à l'université de Berkeley. Il s'est déjà fait connaître par ses travaux sur le cœur de Jupiter, sur lesquel il pourrait y avoir des pluies d'hélium. Il vient de déposer sur arxiv deux nouveaux articles écrits avec des collègues.

On pense que les géantes gazeuses se sont formées par accrétion d'hydrogène et d'hélium gazeux autour d'un protocœur initial de roches et de glaces. Des calculs pour étudier la solubilité des roches dans l'hydrogène liquide, en choisissant l'oxyde de magnésium comme un exemple représentatif des matériaux rocheux, montrent que MgO est très soluble dans l'hydrogène liquide pour des températures supérieures à environ 10.000 K. On voit sur le diagramme ci-dessus les zones où glace et MgO se dissolvent dans l'hydrogène et où se trouvent les cœurs des géantes. En ordonnées on a la température en milliers de kelvins et en abscisses la pression en millions de bars. © Burkhard Militzer

Jupiter possède une masse de 318 fois celle de la Terre et l'on pense qu'il possède un noyau rocheux et glacé pesant environ 10 fois la masse de notre planète. Mais selon ces articles, cela n'a probablement pas été le cas il y a des milliards d'années.

En effet, le cœur rocheux de Jupiter baigne selon toute probabilité dans de l'hydrogène et de l'hélium liquides à une température de 16.000 K et une pression de 40 millions d'atmosphères environ. D'après les calculs effectués sur ordinateur, qui font appel à une description quantique de la matière condensée dans ces conditions extrêmes (rappelons que la température de surface du Soleil est d'environ 6.000 K), la glace doit finir par se dissoudre dans l'hydrogène liquide.

De même, les calculs de cosmochimie qui prédisent un cœur rocheux contenant beaucoup d'oxyde de magnésium MgO, impliquent que dans les simulations effectuées, le cœur rocheux de Jupiter doit lui aussi finir par se dissoudre dans l'hydrogène liquide.

Des implications pour les exoplanètes gazeuses

Des conclusions similaires doivent être valables aussi pour le cœur de Saturne. Toutefois, la vitesse avec laquelle cette dissolution pourrait s'effectuer pour les cœurs rocheux n'est pas bien déterminée. Il reste donc difficile de dire si les cœurs rocheux des géantes étaient beaucoup plus importants qu'aujourd'hui ou non. De plus, on ne sait pas vraiment si des courants de convection ne sont pas susceptibles de transférer la matière des roches et des glaces dissoutes dans des couches supérieures des deux planètes géantes.

Il n'en reste pas moins qu'il s'agit de considérations importantes pour qui veut comprendre à quoi ressemblaient vraiment ces géantes lorsqu'elles se sont formées. On doit certainement aussi prendre tout cela en considération lorsque l'on propose que certaines des superterres observées sont en réalité des anciens noyaux de géantes gazeuses.

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