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Bien que la Terre soit étudiée en détail depuis longtemps, certaines questions fondamentales restent encore sans réponse. L'une d'entre elles concerne la formation de notre planète, dont les chercheuses et chercheurs ne savent toujours pas comment elle s'est formée. Une équipe de recherche internationale dirigée par l'ETH Zurich et le Pôle de recherche national PlanetS propose aujourd'hui une nouvelle réponse à cette question, basée sur des expériences en laboratoire et des simulations informatiques. Leur étude a été publiée dans la revue Nature Astronomy.
Une anomalie inexplicable
«La théorie dominante en astrophysique et en cosmochimie est que la Terre s'est formée à partir d'astéroïdes chondritiques. Il s'agit de blocs simples et relativement petits de roche et de métal qui se sont formés très tôt dans le système solaire», explique l'auteur principal de l'étude, Paolo Sossi, professeur de planétologie expérimentale à l'ETH Zurich. «Le problème de cette théorie est qu'aucun mélange de ces chondrites ne peut expliquer la composition exacte de la Terre, qui est beaucoup plus pauvre en éléments légers et volatils comme l'hydrogène et l'hélium que ce à quoi nous nous attendions.»
Diverses hypothèses ont été avancées au fil des ans pour expliquer cette divergence. Par exemple, il a été postulé que les collisions des objets qui ont ensuite formé la Terre ont généré d'énormes quantités de chaleur. Cela a vaporisé les éléments légers, laissant la planète dans sa composition actuelle.
Cependant, Paolo Sossi est convaincu que ces théories sont rendues invraisemblables dès que l'on mesure la composition isotopique des différents éléments de la Terre: «Les isotopes d'un élément chimique ont tous le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons. Les isotopes ayant moins de neutrons sont plus légers et devraient donc pouvoir s'échapper plus facilement. Si la théorie de la vaporisation par chauffage était correcte, nous trouverions moins de ces isotopes légers sur Terre aujourd'hui que dans les chondrites d'origine. Mais c'est précisément ce que les mesures isotopiques ne montrent pas.»
Un melting-pot cosmique
L'équipe de Paolo Sossi a donc cherché une autre solution. «Les modèles dynamiques avec lesquels nous simulons la formation des planètes montrent que les planètes de notre système solaire se sont formées progressivement. De petits grains se sont transformés au fil du temps en planétésimaux de taille kilométrique en accumulant de plus en plus de matière grâce à leur attraction gravitationnelle», explique Paolo Sossi. Comme les chondrites, les planétésimaux sont également de petits corps de roche et de métal. Mais contrairement aux chondrites, ils ont été suffisamment chauffés pour se différencier en un noyau métallique et un manteau rocheux. «De plus, les planétésimaux qui se sont formés dans différentes régions autour du jeune Soleil ou à différentes époques peuvent avoir des compositions chimiques très différentes», ajoute Paolo Sossi. La question est maintenant de savoir si la combinaison aléatoire de différents planétésimaux aboutit à une composition correspondant à celle de la Terre.
Pour le savoir, l'équipe a effectué des simulations dans lesquelles des milliers de planétésimaux entraient en collision les uns avec les autres dans le système solaire primitif. Les modèles ont été conçus de manière à reproduire, au fil du temps, des corps célestes correspondant aux quatre planètes rocheuses que sont Mercure, Vénus, la Terre et Mars. Les simulations montrent qu'un mélange de nombreux planétésimaux différents pourrait en fait conduire à la composition effective de la Terre. Qui plus est, la composition de la Terre est même le résultat statistiquement le plus probable de ces simulations.
Un plan pour d'autres planètes
«Même si nous l'avions soupçonné, nous avons tout de même trouvé ce résultat très remarquable», se souvient Paolo Sossi. «Nous avons maintenant non seulement un mécanisme qui explique mieux la formation de la Terre, mais nous avons aussi une référence pour expliquer la formation des autres planètes rocheuses», explique le chercheur. Le mécanisme pourrait être utilisé, par exemple, pour prédire comment la composition de Mercure diffère de celle des autres planètes rocheuses. Ou comment les exoplanètes rocheuses d'autres étoiles pourraient être composées.
«Notre étude montre combien il est important de prendre en compte à la fois la dynamique et la chimie lorsqu'on essaie de comprendre la formation des planètes», note Paolo Sossi. «J'espère que nos résultats conduiront à une collaboration plus étroite entre les chercheuses et chercheurs de ces deux domaines.»