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Formation planétaire : le scénario des planétésimaux

Dossier - Planètes extrasolaires : une clé pour comprendre la formation planétaire
DossierClassé sous :Astronomie , planète extrasolaire , exoplanète

Il existe d'autres planètes que celles situées autour de notre Étoile, le Soleil. Elles sont appelées exoplanètes, ou planètes extrasolaires. Leur détection est un enjeu essentiel pour comprendre la formation du Système solaire et chercher une vie ailleurs.

  
DossiersPlanètes extrasolaires : une clé pour comprendre la formation planétaire
 

Les observations de disques circumstellaires accréditent aujourd'hui l'hypothèse de la nébuleuse primitive émise par Laplace et Kant dès la fin du XIXe siècle, mettant fin à des siècles de débat sur l'origine du Système solaire.

Comment les planètes se sont-elles formées ? Ici, vue d'artiste d'une collision. © Nasa, JPL-Caltech, T. Pyle (SSC), Wikimedia Commons, DP

On pense de nos jours que les planètes se forment au sein des disques qui entourent les étoiles jeunes en accumulant le matériau solide qu'ils contiennent sous forme de particules solides en suspension dans le gaz. Le scénario standard de formation des planètes a été imaginé par O. Schmidt et V.-S. Safronov dans les années 1960 et largement repris dans les années 1980 par l'école américaine autour de G. Wetherill.

La Terre et les autres planètes tournant autour du Soleil sont nées dans la tourmente, au hasard des collisions successives. C'est ce que nous décrit cet épisode de la série Les Clés de l'univers proposée par la chaîne Discovery Science. © Discovery Science

Les deux étapes du scénario des planétésimaux

Ce scénario, dit des « planétésimaux », comprend essentiellement deux étapes :

  • une première étape  pendant laquelle l'évolution est dominée par la composante gazeuse, les particules solides en suspension dans le gaz s'agglomérant pour former une multitude de planétoïdes (ou planétésimaux) ;
  • une seconde étape pendant laquelle l'évolution est dominée par la force gravitationnelle qui agit sur les planétésimaux en orbite autour de l'étoile. Les traces d'impacts à la surface de tous les corps du Système solaire attestent de l'existence d'une phase collisionnelle intense au moment de leur formation. 
Figure 8 : les deux étapes du scénario standard de Safronov (ou scénario des planétésimaux) : pendant la première, le gaz contrôle l'évolution ; pendant la seconde, le matériau solide (sous forme d'une multitude de planétoïdes) prend le relais. Le disque de gaz et les planétésimaux tournent autour de l'étoile. © DR

L'étape gravitationnelle, étudiée de façon aussi bien théorique que numérique, est globalement assez bien comprise. L'étape hydrodynamique reste très mal comprise, notamment à cause de notre méconnaissance de la turbulence dans les disques protoplanétaires. Néanmoins, les particules solides, dont les tailles peuvent aller du micromètre au centimètre, ont tendance à « sédimenter » vers le plan équatorial en formant une sous-couche plus dense où vont se former les planétésimaux.

Une contrainte importante de ce scénario est que les planètes géantes gazeuses doivent être formées avant la dissipation du gaz qui, selon les observations, ne survit que quelques millions d'années.