Le modèle développé par des chercheurs brésiliens montre une phase chaotique qui a placé les objets sur les orbites actuelles en commençant dans les 100 premiers millions d’années après la formation des planètes géantes . Crédit : NASA
L’hypothèse selon laquelle le système solaire serait issu d’une gigantesque nébuleuse de gaz et de poussière a été émise pour la première fois dans la seconde moitié du XVIIIème siècle par le philosophe allemand Emmanuel Kant et développée par le mathématicien français Pierre-Simon de Laplace. Elle fait aujourd’hui l’objet d’un consensus parmi les astronomes. Grâce à l’énorme quantité de données d’observation, d’apports théoriques et de ressources de calcul disponibles, il a été continuellement affiné, mais il ne s’agit pas d’un processus linéaire.
Et elle n’est pas non plus sans controverses. Jusqu’à récemment, on pensait que le système solaire avait acquis ses caractéristiques actuelles à la suite d’une période de turbulence qui s’est produite quelque 700 millions d’années après sa formation. Cependant, certaines des dernières recherches suggèrent qu’il a pris forme dans un passé plus lointain, à un moment donné au cours des 100 premiers millions d’années.
Une étude menée par trois chercheurs brésiliens apporte des preuves solides de cette structuration antérieure. Rapportée dans un article publié dans la revue Icarus, l’étude a été soutenue par la Fondation de recherche de São Paulo – FAPESP. Les auteurs sont tous affiliés à l’école d’ingénieurs de l’Université de l’État de São Paulo (FEG-UNESP) à Guaratinguetá (Brésil).
L’auteur principal est Rafael Ribeiro de Sousa. Les deux autres auteurs sont André Izidoro Ferreira da Costa et Ernesto Vieira Neto, chercheur principal de l’étude.
« La grande quantité de données acquises par l’observation détaillée du système solaire nous permet de définir avec précision les trajectoires des nombreux corps qui gravitent autour du soleil », a déclaré M. Ribeiro. « Cette structure orbitale nous permet d’écrire l’histoire de la formation du système solaire. Émergeant de la nébuleuse de gaz et de poussière qui entourait le soleil il y a quelque 4,6 milliards d’années, les planètes géantes se sont formées sur des orbites plus proches les unes des autres et également plus proches du soleil. Les orbites étaient également plus coplanaires et plus circulaires qu’aujourd’hui, et plus interconnectées dans des systèmes dynamiques résonants. Ces systèmes stables sont le résultat le plus probable de la dynamique gravitationnelle de la formation des planètes à partir de disques protoplanétaires gazeux ».
Izidoro a donné plus de détails : « Les quatre géantes gazeuses – Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune – ont émergé de la nébuleuse de gaz et de poussière sur des orbites plus compactes », a-t-il déclaré. « Leurs mouvements étaient fortement synchronisés grâce à des chaînes de résonance, Jupiter effectuant trois tours autour du soleil tandis que Saturne en effectuait deux. Toutes les planètes ont été impliquées dans cette synchronicité produite par la dynamique du disque de gaz primordial et la dynamique gravitationnelle des planètes ».
Cependant, dans toute la région de formation du système solaire externe, qui comprend la zone située au-delà des orbites actuelles d’Uranus et de Neptune, le système solaire comptait une grande population de planétésimaux, de petits corps de roche et de glace considérés comme les éléments constitutifs des planètes et les précurseurs des astéroïdes, des comètes et des satellites.
Le disque planétésimal extérieur a commencé à perturber l’équilibre gravitationnel du système. Les résonances ont été perturbées après la phase gazeuse, et le système est entré dans une période de chaos dans laquelle les planètes géantes interagissaient violemment et éjectaient de la matière dans l’espace.
« Pluton et ses voisines glacées ont été repoussés dans la ceinture de Kuiper, où ils se trouvent maintenant, et le groupe entier de planètes a migré vers des orbites plus éloignées du soleil », a déclaré M. Ribeiro.
La ceinture de Kuiper, dont l’existence a été proposée en 1951 par l’astronome néerlandais Gerard Kuiper et confirmée plus tard par des observations astronomiques, est une structure toroïdale (en forme de beignet) composée de milliers de petits corps en orbite autour du soleil.
La diversité de leurs orbites n’est observée dans aucune autre partie du système solaire. Le bord intérieur de la ceinture de Kuiper commence à l’orbite de Neptune, à environ 30 unités astronomiques (UA) du soleil. Le bord extérieur se trouve à environ 50 UA du soleil. Une UA est approximativement égale à la distance moyenne entre la Terre et le soleil.
Pour en revenir à la perturbation de la synchronicité et au début de l’étape chaotique, la question est de savoir quand cela s’est produit – très tôt dans la vie du système solaire, quand il avait 100 millions d’années ou moins, ou bien plus tard, probablement environ 700 millions d’années après la formation des planètes ?
« Jusqu’à récemment, l’hypothèse de l’instabilité tardive prédominait », a déclaré M. Ribeiro. « La datation des roches lunaires rapportées par les astronautes d’Apollo suggère qu’elles ont été créées par des astéroïdes et des comètes s’écrasant sur la surface lunaire au même moment. Ce cataclysme est connu sous le nom de ‘Bombardement tardif et lourd’ de la Lune. S’il s’est produit sur la Lune, il s’est probablement aussi produit sur la Terre et les autres planètes terrestres du système solaire. Parce qu’une grande quantité de matière sous forme d’astéroïdes et de comètes a été projetée dans toutes les directions du système solaire pendant la période d’instabilité planétaire, on a déduit des roches lunaires que cette période chaotique s’est produite tardivement, mais ces dernières années, l’idée d’un ‘Bombardement tardif’ de la lune est tombée en désuétude. »
Selon M. Ribeiro, si la catastrophe chaotique tardive s’était produite, elle aurait détruit la Terre et les autres planètes terrestres, ou du moins causé des perturbations qui les auraient placées sur des orbites totalement différentes de celles que nous observons actuellement.
En outre, les roches lunaires ramenées par les astronautes d’Apollo se sont avérées avoir été produites par un seul impact. Si elles avaient été produites par l’instabilité tardive des planètes géantes, il y aurait eu des preuves de plusieurs impacts, étant donné la dispersion des planétésimaux par les planètes géantes.
« Le point de départ de notre étude était l’idée que l’instabilité devait être datée de manière dynamique. L’instabilité ne peut s’être produite que plus tard s’il y avait une distance relativement importante entre le bord intérieur du disque des planétésimaux et l’orbite de Neptune lorsque le gaz était épuisé. Cette distance relativement importante s’est avérée insoutenable dans notre simulation », a déclaré M. Ribeiro.
L’argument repose sur un postulat simple : plus la distance entre Neptune et le disque des planétésimaux est courte, plus l’influence gravitationnelle est importante, et donc plus la période d’instabilité est précoce. Inversement, une instabilité plus tardive nécessite une distance plus importante.
« Ce que nous avons fait, c’est sculpter le disque planétésimal primordial pour la première fois. Pour ce faire, nous avons dû remonter à la formation des géantes glacées Uranus et Neptune. Des simulations informatiques basées sur un modèle construit par le professeur Izidoro [Ferreira da Costa] en 2015 ont montré que la formation d’Uranus et de Neptune pourrait avoir pris naissance dans des embryons planétaires ayant plusieurs masses terrestres. Des collisions massives de ces super-Terres expliqueraient, par exemple, pourquoi Uranus roule comme une boule », a déclaré M. Ribeiro, en faisant référence à l' »inclinaison » d’Uranus, avec les pôles nord et sud situés sur ses côtés plutôt que sur le dessus et le dessous.
Des études précédentes avaient souligné l’importance de la distance entre l’orbite de Neptune et la limite intérieure du disque planétésimal, mais elles ont utilisé un modèle dans lequel les quatre planètes géantes étaient déjà formées.
« La nouveauté de cette dernière étude est que le modèle ne commence pas avec des planètes complètement formées. Au lieu de cela, Uranus et Neptune sont encore en phase de croissance, et le moteur de cette croissance est constitué par deux ou trois collisions impliquant des objets ayant jusqu’à cinq masses terrestres », a déclaré Izidoro.
« Imaginez une situation dans laquelle Jupiter et Saturne sont formés, mais nous avons cinq à dix super-Terres au lieu d’Uranus et de Neptune. Les super-Terres sont forcées par le gaz à se synchroniser avec Jupiter et Saturne, mais étant nombreuses, leur synchronicité fluctue, et elles finissent par entrer en collision. Les collisions réduisent leur nombre, ce qui rend la synchronisation possible. Finalement, il ne reste plus qu’Uranus et Neptune. Tandis que les deux géantes de glace se formaient dans le gaz, le disque planétésimal était en train de se consumer. Une partie de la matière s’est accumulée dans Uranus et Neptune, et une autre partie a été propulsée à la périphérie du système solaire. La croissance d’Uranus et de Neptune a donc défini la position de la limite interne du disque planétésimal. Ce qui restait du disque est maintenant la ceinture de Kuiper. La ceinture de Kuiper est essentiellement une relique du disque planétésimal primordial, qui était autrefois beaucoup plus massif ».
Le modèle proposé est cohérent avec les orbites actuelles des planètes géantes et avec la structure observée dans la ceinture de Kuiper. Il est également cohérent avec le mouvement des Troyens, un grand groupe d’astéroïdes qui partagent l’orbite de Jupiter et qui ont probablement été capturés pendant la perturbation de la synchronicité.
Selon un article publié par Izidoro en 2017, Jupiter et Saturne étaient toujours en formation, leur croissance contribuant au déplacement de la ceinture d’astéroïdes. Le dernier article est une sorte de continuation, partant d’un stade où Jupiter et Saturne étaient complètement formés mais encore synchronisés, et décrivant l’évolution du système solaire à partir de là.
« L’interaction gravitationnelle entre les planètes géantes et le disque planétésimal a produit des perturbations dans le disque de gaz qui se sont propagées sous forme d’ondes. Les ondes ont produit des systèmes planétaires compacts et synchrones. Lorsque le gaz s’est épuisé, l’interaction entre les planètes et le disque planétésimal a perturbé la synchronicité et a donné naissance à la phase chaotique. En tenant compte de tout cela, nous avons découvert que les conditions n’existaient tout simplement pas pour que la distance entre l’orbite de Neptune et la limite interne du disque planétésimal devienne suffisamment grande pour soutenir l’hypothèse d’instabilité tardive. C’est la principale contribution de notre étude, qui montre que l’instabilité s’est produite au cours des 100 premiers millions d’années, et qu’elle a pu se produire, par exemple, avant la formation de la Terre et de la Lune », a déclaré M. Ribeiro.