Io, Europe, Ganymède et Callisto : les quatre satellites galiléens, vus par la sonde Galileo en novembre 1997. © Nasa, JPL, DLR

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Jupiter : un nouveau modèle de la formation de ses quatre plus grandes lunes

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Comment les satellites de Jupiter se sont-ils formés ? La question laissait toujours perplexe les planétologues. Konstantin Batygin et Alessandro Morbidelli proposent un nouveau modèle qui expliquerait comment la planète géante a acquis ses quatre principaux satellites.

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En dehors de la Lune, les premiers satellites découverts furent les quatre plus gros de Jupiter, identifiés par Galilée en 1610. Cependant, leur étude détaillée n'a vraiment commencé que dans les années 1970, avec l'exploration du système jovien par des sondes spatiales, ce qui a permis de constater leur diversité : Io est volcanique, Europe a une croûte de glace qui surmonterait une couche d'eau liquide, Ganymède possède un champ magnétique et Callisto est criblé d'anciens cratères. Cependant, une question laisse toujours perplexes les planétologues : comment les satellites de Jupiter se sont-ils formés ?

Dans une nouvelle étude, publiée le 10 mai dernier, dans The Astrophysical Journal, les planétologues Konstantin Batygin et Alessandro Morbidelli, respectivement professeur à Caltech (États-Unis) et chercheur à l'Observatoire de la Côte d'Azur (France), ont étudié la formation des satellites de planètes géantes à l'aide de calculs analytiques et de simulations informatiques.

Lors des premiers millions d'années de la vie du Soleil, ce dernier était entouré d'un disque protoplanétaire composé de gaz et de poussières. Jupiter, qui se forma à partir de ce disque, fut entourée par son propre disque, prélude à ses satellites. Ce disque circumjovien était alimenté par de la matière provenant du disque protoplanétaire qui pleuvait sur Jupiter au niveau des pôles de la planète et refluait hors de la sphère d'influence gravitationnelle de Jupiter, le long du plan équatorial de la planète. Cependant, comment ce disque en constante évolution a-t-il accumulé suffisamment de matière pour former des lunes ?

Le nouveau modèle de Batygin et Morbidelli résout ce problème en intégrant la physique des interactions entre la poussière et le gaz dans le disque circumjovien. En particulier, les chercheurs démontrent que, pour les grains de poussière glacés d'une gamme de tailles spécifiques, la force les entraînant vers Jupiter et celle les transportant dans le flux de gaz allant vers l'extérieur s'annulent parfaitement, permettant au disque d'agir comme un piège à poussières géant. De ce fait, le disque autour de Jupiter serait devenu riche en grains de poussière glacés, chacun d'environ un millimètre. Finalement, cet anneau de poussière serait devenu si massif qu'il se serait effondré sous son propre poids en des milliers de « satellitésimaux », des objets semblables à des astéroïdes glacés d'une centaine de kilomètres de diamètre. Au bout de plusieurs milliers d'années, les satellitésimaux ont formé des satellites, un à la fois.

Konstantin Batygin explique un nouveau modèle de formation des satellites galiléens. 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 ». © Caltech

Migration et résonance

Selon le modèle, lorsque le premier satellite (Io) s'est formé et que sa masse a atteint un certain seuil, son influence gravitationnelle a commencé à produire des ondes dans le disque gazeux de matière qui entourait Jupiter. En interagissant avec ces ondes, le satellite a migré vers Jupiter jusqu'à ce qu'il atteigne le bord intérieur du disque circumjovien, près de son orbite actuelle. Le processus a ensuite recommencé avec le satellite suivant. Ce processus a conduit Io, Europe et Ganymède à se retrouver dans une configuration particulière appelée résonance de Laplace : à chaque fois que Io fait quatre fois le tour de Jupiter, Europe en fait deux fois le tour et Ganymède une fois.

Finalement, le modèle suggère que le rayonnement solaire a emporté le gaz restant dans le disque circumjovien, n'y laissant que les satellitésimaux résiduels, qui ont ensuite formé la quatrième et dernière lune majeure, Callisto. Cependant, sans gaz pour migrer, Callisto n'a pas pu rejoindre les autres satellites en résonance.

Alessandro Morbidelli explique que ce processus pourrait être général : « Nous avons maintenant des observations du disque autour d'une planète géante extrasolaire, PDS 70 c, et il semble extraordinairement riche en poussières, comme nous l'imaginons pour le disque de Jupiter avant la formation de ses satellites. ». Les prochaines missions d'exploration du système jovien, comme Europa Clipper côté Nasa ou Juice côté ESA, permettront d'en apprendre plus.

  • Le disque entourant Jupiter peu après sa formation aurait agi comme un piège à poussières.
  • Les satellitésimaux produits par ce disque auraient formé tour à tour Io, Europe et Ganymède.
  • La migration de ces satellites aurait alors conduit à leur configuration orbitale actuelle en résonance de Laplace.
  • Callisto se serait formé de façon analogue, mais n'aurait pour sa part pas pu migrer.
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