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Comment nos planètes se sont-elles formées ?
Planètes terrestres et géantes de gaz ou de glace : une nouvelle théorie expliquant pourquoi le système solaire intérieur est si différent des régions extérieures va à l’encontre de la sagesse dominante. Cette théorie a été proposée par un groupe de recherche international dans lequel l’ETH Zurich a joué un rôle important.
Mercure, Vénus, la Terre et Mars sont des planètes du système solaire interne relativement petites et sèches, contrairement à Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune, planètes des régions extérieures qui contiennent des quantités beaucoup plus importantes d’éléments volatils. “Ces dernières années, nous avons également découvert une autre différence majeure entre les deux parties du système solaire”, explique Maria Schönbächler, professeure à l’Institut de géochimie et de pétrologie de l’EPF de Zurich, “les météorites ont une “empreinte” différente selon qu’elles proviennent du système solaire intérieur ou extérieur”. Le lieu d’origine détermine donc la teneur en isotopes des météorites. Les isotopes sont les différentes saveurs atomiques d’un élément donné, qui partagent tous le même nombre de protons dans leur noyau mais varient quant au nombre de neutrons.
L’explication actuelle des différences de composition chimique des planètes et des météorites est la suivante : il y a 4,5 milliards d’années, alors que le système solaire se formait à partir d’un disque de gaz et de poussière, la planète Jupiter a été la première à fusionner. Elle a divisé le disque en une région intérieure et une région extérieure et a bloqué l’échange de matières entre les deux. « Cependant, des chercheurs collaborant dans diverses disciplines ont mis au point un nouveau modèle de formation des planètes. Il fournit une explication alternative aux différences entre les isotopes, et Jupiter ne joue aucun rôle”, explique Maria Schönbächler. L’idée de cette nouvelle théorie est née de la collaboration entre des chercheurs de l’EPF et de l’Université de Zurich au sein du Pôle de recherche national (PRN) PlanetS, dont Maria Schönbächler est membre. L’équipe internationale publie à présent ses travaux dans la revue Science.
Deux vagues de formation à des moments différents
“Nous avons utilisé des simulations informatiques pour calculer ce qui a pu se passer dans le système solaire primitif”, explique Tim Lichtenberg de l’Université d’Oxford, auteur principal de l’étude et ancien membre du PRN PlanetS. Selon ces simulations, les systèmes solaires interne et externe se sont formés en deux vagues distinctes à deux moments différents. Très tôt, alors que le disque original de poussière et de gaz ainsi que le soleil se formaient encore, les premiers éléments des planètes intérieures ont commencé à se rassembler, les experts appellent ces embryons de planètes qui mesurent environ 100 kilomètres, des planétésimaux. La ligne de neige, qui s’est formée à une certaine distance du soleil encore très jeune, joue ici un rôle essentiel. À l’intérieur de la ligne de neige, l’eau existait sous forme de vapeur, tandis qu’au-delà, elle se transformait en cristaux de glace : une partie de la vapeur d’eau s’est alors condensée sur des grains de poussière, qui s’agglutinaient pour former les premiers planétésimaux. “Ceux-ci étaient extrêmement riches en eau”, explique Tim Lichtenberg, en ajoutant : “c’est une sacrée surprise, car cela signifie que la Terre aurait contenu beaucoup plus d’eau et qu’aujourd’hui, elle devrait ressembler davantage à une comète.” Ici aussi, la nouvelle théorie offre une explication : le disque de poussière contenait l’isotope radioactif aluminium-26, dont les éléments constitutifs de la planète ont hérité. Il a une demi-vie de 700 000 ans et libère une grande quantité d’énergie lorsqu’il se désintègre – suffisamment pour chauffer les planétésimaux de l’intérieur et les faire fondre. Cela a conduit à la formation de noyaux de fer et à l’évaporation de l’eau et d’autres éléments volatils.
La ligne des neiges s’est déplacée vers l’extérieur
Dans notre modèle, après que les premiers planétésimaux se soient formés dans le système solaire interne, rien ne s’est passé pendant environ un demi-million d’années”, explique Tim Lichtenberg. Puis il y a eu une deuxième vague de formation de planétésimaux, mais cette fois dans le système solaire externe. Avec le réchauffement du disque de gaz et de poussière, la ligne de neige s’était déplacée vers l’extérieur, et les particules de poussière se déplaçant vers le soleil étaient retenues à la nouvelle frontière de neige. Les chercheurs la décrivent comme un “embouteillage”, et cela a donné naissance à de nouveaux planétésimaux. “La formation des planètes du système solaire extérieur a commencé plus tard, mais s’est également terminée plus rapidement ; les planètes intérieures ont eu besoin de beaucoup plus de temps”, explique Tim Lichtenberg. Comme le deuxième processus a commencé plus tard, une grande partie de l’aluminium-26 radioactif s’était déjà désintégrée, signifiant qu’une plus petite quantité d’éléments volatils s’est évaporée. En conséquence, la région extérieure a vu la formation de géants de gaz et de glace comme Jupiter ou Saturne.
Nouvelle combinaison de données actuelles
“Notre modèle jette également une nouvelle lumière sur la croissance des planétésimaux originaux dans le système solaire interne, qui a continué jusqu’à ce qu’ils forment les planètes terrestres comme notre Terre”, déclare Maria Schönbächler. Selon ce modèle, la phase initiale a été dominée par les collisions entre les planétésimaux. Plus tard, la gravité de ces corps a fait qu’ils ont attiré et accumulé des particules de poussière dans un processus que les experts appellent “l’accrétion de cailloux”. Une autre phase de collisions a suivi jusqu’à la fin du processus de formation de la Terre, lorsqu’elle est entrée en collision avec un dernier gros morceau. Cet impact a provoqué l’éjection par la jeune planète d’une masse de matière qui a fini par former la lune. Les simulations illustrent également la façon dont les planètes se sont rapprochées du soleil au cours de leur formation, avant de s’installer sur les orbites que nous leur connaissons aujourd’hui.
“Dans notre étude, nous proposons un scénario global qui reproduit la composition et l’histoire de la formation du système solaire”, explique Tim Lichtenberg, et en effet, les calculs informatiques correspondent aux données issues de l’analyse des météorites et des observations astronomiques. “Cette combinaison des données actuelles sur les météorites et des modèles de développement est nouvelle”, déclare Maria Schönbächler, “et je suis ravie de voir à quel point tout s’accorde”.
Référence:
Lichtenberg T et al.: Bifurcation of planetary building blocks during Solar System formation, Science, 371, 6527, 21 January 2021. doi: 10.1126/science.abb3091