Une vue d'artiste de la formation du Système solaire. © Lynette Cook

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Un Little Bang à l'origine du Système solaire ? Pas si sûr…

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Le scénario standard de la formation du Système solaire serait à revoir, d'après des chercheurs qui mettent en avant une anomalie dans les abondances d'isotopes contenus dans les météorites. Selon eux, le Soleil ne serait pas né du souffle de l'explosion d'une supernova mais dans une coquille de matière éjectée par une étoile de type Wolf-Rayet.

Depuis la fin des années 1970, un modèle cosmogonique expliquant l'origine du Système solaire a été adopté par la communauté scientifique mais il soulève des doutes depuis quelque temps. Personne ne remet en cause le fait que le Soleil et son cortège de planètes soient nés de l'effondrement d'une nébuleuse protosolaire primitive, un nuage moléculaire poussiéreux dense et froid. En revanche, on questionne le scénario ayant conduit à l'effondrement de cette nébuleuse il y a environ 4,56 milliards d'années.

Selon les modèles cosmochimiques accompagnant la formation d'un disque chaud de matière autour du protosoleil et qui va ensuite se refroidir en donnant des condensations de matière, il a dû apparaître au début des petites structures blanchâtres très réfractaires (résistant à de hautes températures) composées d'aluminium et de calcium. De telles structures ont été retrouvées sous forme d'inclusions dans la célèbre météorite tombée près du village d'Allende au Mexique, le 8 février 1969.

Une coupe d'un échantillon de la météorite d'Allende. © Matteo Chinellato, cc by sa 3.0, Wikipédia

Des isotopes radioactifs produits par une supernova ?

Cette chondrite carbonée, considérée comme la pierre de Rosette de la planétologie, a été trouvée éparpillée sur une superficie de plus de 150 kilomètres carrés dans le district de Chihuahua. Des centaines de fragments totalisant une masse de plus de deux tonnes furent recueillis. Sur des coupes, apparaissent les fameuses inclusions riches en aluminium et en calcium, baptisées CAI pour Calcium Aluminum-rich Inclusions en anglais. Elles peuvent atteindre un centimètre de diamètre et c'est leur composition isotopique fine qui a fourni des renseignements sur les tout premiers temps de la formation du Système solaire.

En particulier, une anomalie dans les abondances de 26Mg et 24Mg, découverte par Jerry Wasserburg du Caltech, plaidait pour une injection rapide d'aluminium 26 radioactif à courte période dans la nébuleuse primitive. Les noyaux de 26Al auraient produit en se désintégrant des noyaux de 26Mg, changeant la composition attendue dans les météorites car ils sont 17 fois plus abondants que dans la composition moyenne de la Voie lactée. Cet apport ne semblait pouvoir provenir que de l'explosion rapprochée d'une supernova. L'évènement aurait produit de l'aluminium 26, juste avant l'effondrement de la nébuleuse qui a conduit à la formation de notre Système solaire, effondrement que l'onde de choc de l'explosion aurait provoqué.

La nébuleuse M1-67 autour de l'étoile Hen 2-427, plus communément appelée WR 124 car c'est une étoile de Wolf-Rayet, vue par le télescope Hubble dans la constellation du Sagittaire. Elle n'aurait pas plus de 10.000 ans et serait située à 15.000 années-lumière du Soleil. © Esa, Judy Schmidt

Une bulle de matière produite par les vents d'une étoile de Wolf-Rayet

Mais, selon certains chercheurs, quelque chose cloche dans ce scénario. Un article récemment publié dans Astrophysical Journal par des cosmochimistes l'illustre bien. Comme on le dit parfois, le diable est dans les détails et en l'occurrence dans des mesures fines d'autres isotopes présents dans les météorites.

Si l'aluminium 26 provient bien de l'explosion d'une supernova à partir d'une étoile baptisée Coatlicue, alors il devrait exister des traces importantes d'un autre isotope produit par la supernova, du fer 60. Or, selon les chercheurs, le compte n'y est pas, et de très loin, et c'est pourquoi ils proposent un autre scénario pour la naissance du Système solaire, qui se passe d'une supernova.

La nébuleuse protosolaire se serait en fait effondrée à l'intérieur d'une coquille de gaz entourant une bulle de matière éjectée depuis des millions d'années au moins par une étoile géante et massive de type Wolf-Rayet. Il s'agit d'astres contenant à l'origine au moins de 15 à 25 masses solaires, parfois bien plus, et qui ne sont plus sur la séquence principale. Les étoiles WR éjectent en effet d'énormes quantités de matière dans des vents stellaires beaucoup plus forts que le vent solaire : la perte de masse pouvant atteindre un taux de 10−5 masse solaire par an contre 10−14 pour le Soleil.

Ces images extraites de simulations numériques montrent comment se forme et évolue une bulle de matière éjectée par les vents (wind) d'une étoile de Wolf-Rayet durant 4,7 millions d'années. Il se forme un nuage moléculaire (cloud) avec une coquille (shell) dense et des régions ionisées par le rayonnement de l'étoile. C'est dans la coquille dense que se formeraient ensuite des étoiles de type solaire. © V. Dwarkadas, D. Rosenberg

Selon ce scénario, des poussières enrichies en 26Al mais dépourvues de 60Fe sont naturellement piégées et concentrées dans la coquille entourant l'étoile de WR, coquille qui se fragmenterait en donnant par effondrement des étoiles de plus faibles masses. Très massive, l'étoile se serait ensuite effondrée en trou noir sans donner de supernova. Selon les astrophysiciens, entre 1 et 16 % des étoiles de type solaire se seraient formées de cette façon.

  • L'explosion d'une supernova synthétise des isotopes radioactifs dont certains, comme l'aluminium 26, ont une courte durée de vie. Les produits de la désintégration de cet isotope trouvés dans les météorites ont laissé penser depuis la fin des années 1970 que notre Système solaire provenait de l'effondrement d'un nuage du fait de l'explosion d'une supernova.
  • Problème, il devrait y avoir aussi d'importantes traces de fer 60 dans ces météorites et ce n'est pas le cas.
  • Une façon de résoudre ce problème est de postuler que le Système solaire est né sans supernova, dans une bulle de matière crachée peu avant sa naissance par une étoile géante et très massive de type Wolf-Rayet.
Pour en savoir plus

Un Little Bang est bien à l'origine du système solaire

Article de Laurent Sacco publié le 16/10/2008

Comment la nébuleuse protosolaire a-t-elle formé notre système planétaire ? Par effondrement, certes, mais pourquoi celui-ci s'est-il produit ? Depuis longtemps, les astrophysiciens pensent qu'un coup de pouce, ou plutôt une onde de choc, l'a déclenché. L'hypothèse d'une supernova était soutenue par la cosmochimie des météorites, mais pas du tout par des simulations numériques... jusqu'à aujourd'hui ! Nous devons bien notre existence au Big Bang puis à un Little Bang il y a plus de 4,5 milliards d'années.

La théorie de la condensation d'un nuage de gaz et de poussières pouvant conduire à la formation d'un système solaire est ancienne. On peut au moins la faire remonter aux travaux de James Jeans qui, suivant les travaux visionnaires de Descartes et surtout Kant et Laplace, en était venu à formuler le célèbre critère de Jeans. Il donne les limites de masse, de densité et de température qu'une nébuleuse doit atteindre pour s'effondrer sous sa propre attraction gravitationnelle et former une étoile.

Mais ce critère semblait ne pas fonctionner pour notre propre système solaire. En effet, la nébuleuse à l'origine du Soleil et de son cortège de planètes était trop peu massive et surtout trop peu dense, si on la compare aux observations dans la Galaxie, pour s'effondrer d'elle-même. L'hypothèse d'une onde de choc augmentant sa densité était donc évoquée et l'explosion d'une supernova au voisinage de la nébuleuse semblait une excellente explication.

Les différentes étapes de la formation du système solaire. Un nébuleuse sphérique en rotation s'effondre pour donner un disque, au sein duquel des processus d'accrétion et de collisions transforment les masses de poussières en planètes. © Plymouth State University-Mark P. Turski

La découverte des inclusions réfractaires dans la célèbre chondrite carbonée tombée près d'Allende allait révéler la présence d'isotopes produits par la désintégration radioactive rapide d'autres isotopes juste avant leur formation. Nécessairement, un processus nucléosynthétique explosif devait avoir précédé de quelques centaines de milliers d'années tout au plus la formation des météorites carbonées, les plus anciens objets du système solaire. Une supernova injectant rapidement dans la nébuleuse protosolaire des isotopes radioactifs à très courtes périodes juste avant son effondrement était donc exactement ce dont les astrophysiciens avaient besoin... Ils avaient, en plus, une preuve du phénomène.

Il suffisait d'affiner les simulations pour retrouver la supernova...

Mais tout n'est pas si simple. Les simulations numériques effectuées jusqu'à aujourd'hui, reposant sur les lois de la thermodynamique et de l'hydrodynamique, persistaient à ne pas donner un système solaire ressemblant au nôtre avec les bonnes abondances d'éléments. A tel point que l'hypothèse d'une supernova pré-solaire tombait de plus en plus en désuétude chez les spécialistes ces dernières années.

Les choses viennent de changer grâce à la nouvelle simulation d'Alan Boss et de ses collègues de la célèbre Institution Carnegie à Washington.

De haut en bas la simulation du passage de l'onde de choc d'une supernova dans une nébuleuse protosolaire quasiment sphérique vue en coupe. Les zones les plus rouges sont les plus denses. © Alan Boss

Dans les modèles précédents, l'onde de choc produit par la supernova décélérait de quelques dizaines de kilomètres par seconde lors de son passage dans le nuage de gaz et de poussières, à une température quasiment constante de 10 K environ.

En raffinant les calculs hydrodynamiques et en trouvant finalement un mécanisme approprié de chauffage par compression et de refroidissement par rayonnement, les astrophysiciens ont enfin reproduit à la fois un effondrement de la nébuleuse protosolaire et une répartition des isotopes radioactifs conforme aux observations dans les météorites.

Dans tous les modèles examinés sur ordinateur par les chercheurs, l'onde de choc heurte un nuage de la masse du Soleil, composé de poussières, d'eau, de monoxyde de carbone et d'hydrogène moléculaire. Les températures peuvent atteindre 1.000 K et grâce à l'introduction d'un nouveau mécanisme de refroidissement, le nuage peut s'effondrer. Environ 100.000 années plus tard, la nébuleuse protosolaire est devenue 1.000 fois plus dense qu'auparavant, et après 160.000 ans, un protosoleil est là, au cœur d'un nuage devenu un million de fois plus dense.

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