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Formation des systèmes planétaires

— 2 août 2022 —



On sait que la Terre s'est formée il y a 4,5 milliards d'années, peu de temps après que le Système solaire ait lui même commencé à prendre forme. De plus, les études successives des roches de la Terre, de Mars, de météorites ainsi que d'autres corps du Système solaire ont permis aux astronomes de concevoir et consolider avec le temps la théorie aujourd'hui admise de formation des systèmes solaires/planétaires qui s'appelle le Modèle de la Nébuleuse solaire.

Pourtant, les observations plus récentes des autres systèmes solaires présentent des anomalies grandissantes par rapport au modèle actuelle.

Il est donc pertinent de se pencher sur l'état actuel de nos connaissances et sur les hypothèses qui émergent de ces dernières, puisqu'elles risquent d'être progressivement améliorées dans le futur proche grâce aux données accumulées par les nouvelles observations astronomiques toujours plus performantes autour des étoiles et des exoplanètes.
 

Illustration

Nébuleuse de la Lagune par Hubble (NASA, ESA, STScI)
On peut observer de nombreuses étoiles et systèmes planétaires en train de naitre.


La théorie conventionnelle de formation planétaire (l'hypothèse de la nébuleuse solaire) raconte comme une recette de cuisine, étape par étape, la création des systèmes solaires et planétaires.

La première d'entre elle est la présence d'un nuage de gaz spatial. Il s'agit d'un très grand nuage (au moins 15 milliards de km de diamètre, dans le cas de notre Système Solaire). On appelle généralement ce nuage de gaz une nébuleuse solaire, et ce "gaz" provient en réalité du milieu interstellaire, c'est à dire de la matière dans la galaxie qui rempli l'espace entre les étoiles.
Cette matière est effectivement composée de gaz sous plusieurs formes selon la température du nuage (gaz d'ions pour les plus chaud, puis d'atomes, et de molécules pour les plus froid) ainsi que de poussières (assemblage de molécules froides) et de rayonnements cosmiques. C'est donc une vraie soupe d'ingrédients stellaires (gaz, poussière, glace) !
Dans la plupart des recoins de la galaxie cette matière est très dispersée (comme les oasis dans un désert...) mais par endroit elle est beaucoup plus dense (c'est à dire qu'il y a un grande concentration de gaz, poussière, etc) et cela devient très visible en tant d'observateur (telle une manifestation de gilet jaune un samedi). Ces grands nuages... nébuleuses solaires, obstruent carrément la lumière venant des étoiles derrières elle, comme les nuages qui cachent le Soleil en passant devant.

Puis vient le jour où une nébuleuse solaire, initialement très froide, se compacte sous l'attraction gravitationnelle combinée de tous ses ingrédients, et commence ainsi à se rechauffer. Le centre de la nébuleuse va alors rapidement passer de très froid à extrêmement chaud, puis... *pouf*... une proto-étoile sort du four.

Il faut ensuite bien remuer la crème nébuleuse pour que le nuage s'applatisse comme une crèpe et se transforme alors en disque. Pas besoin de main divine pour cela, la gravité fait le travail de façon élégante et efficace. En quelques millions d'années toute la nébuleuse n'est plus qu'une jeune proto-étoile autour de laquelle tourne un très large anneau de poussières, gaz, et glace. Il s'agit du disque proto-planétaire.

Tandis que le disque tourne dans un fracas chaotique, les ingrédients qu'il contient se mélangent sous l'effet de la friction (et des interactions électromagnétiques), et des grumeaux commencent à se former. Ces grains, de tout juste un millimètre de diamètre, sont les briques élémentaires de ce qui va très rapidement devenir des mini-planètes d'à peine quelques dizaines de kilomètres de large (en quelques dizaines de millions d'années !).

Avec le temps ces mini-planètes (aussi appelés planétisimaux) finissent par amasser toutes les particules dans leur sillages (comme une boule de neige qui grossit en dévalant une pente enneigée). Du disque proto-planétaire ne reste alors plus que des centaines (ou milliers) de super-cailloux orbitant autour d'une étoile encore en formation. Mais heureusement, maintenant que ces cailloux sont suffisament grands et massifs, leur champ gravitationnel leur permet d'intéragir les uns avec les autres, marquant le début d'une grande partie de billard stellaire !

 

Illustration

Le billard stellaire pour s'avérer très violent !
Image montrant le possible impact de la proto-Lune sur la proto-Terre durant la formation du Système Solaire


Quelques centaines (ou milliers) de collisions cataclysmiques plus tard, les proto-planètes (et donc proto-exoplanètes !) sont formées. Certaines proto-planètes auront à peu près la taille de la Terre, d'autres seront plus petites, certaines plus grandes, et plusieurs autres beaucoup plus grandes !

Vient ensuite la phase de "nappage" (terme n'ayant strictemeent rien de scientifique) gazeux des proto-planètes. Le capital gazeux du système planétaire en formation est alors réparti entre la proto-étoile et ses proto-planètes (et autres corps, comme les lunes) de différentes tailles. Mais il semblerait que le modèle de la nébuleuse solaire soit en fait un système capitaliste puisque ce sont les plus grosses proto-planètes qui obtiennent également la plus grosse quantité de gaz, au détriment des plus maigres. Créant ainsi ce que l'on connait sous le nom de milliardaires géantes gazeuses (Jupiter, Saturne...).

Un beau jour, alors que tout semblait devenir calme, la proto-étoile se met à "pulser" d'un rayonnement très intense. Suffisament intense en vérité pour littéralement soufler tout le gaz et les particules restantes entre les planètes. Toute cette matière (ainsi qu'une partie des gaz de chaque proto-planète) est alors violemment éjectée en dehors du système planétaire nouvellement formé.
La proto-étoile calme ensuite sa fureur et tout le système planétaire se refroidi lentement pour atteindre une stabilité (relative) au bout de quelques 100 millions d'années.

 

Illustration

Disque protoplanétaire de HL Tauri à 450 années lumières (Source : Observatoire Atacama Large Millimeter Array)


Quelques impacts fortuits peuvent encore modifier la face des mondes nouvellement créés, mais globalement, la préparation cosmique est désormais prête à l'emploi. Lequel ? Le notre ! Celui de l'observation ! Chaque nouveau système planétaire est l'occasion d'en apprendre davantage sur la formation des planètes et sur ce qu'elles abritent à leur surface.

Car même si je viens tout au long de ces lignes de décrire le processus actuellement admis de formation des systèmes planétaires, il y en pratique encore beaucoup d'incompréhension sur la façon dont le gaz est réparti sur les planètes, sur la distribution en taille des mondes, le moment de formation des planètes à l'intérieur de la nébuleuse, et sur bien d'autres choses qui mettent à rude épreuve le modèle actuel et risquent peut être de nous forcer à modifier le temps de cuisson !

Pour conclure, voici le résumer de la recette à planètes :

  • Ingrédients : beaucoup de gaz, de la poussière, de la glace, de la gravité
  • 1. Prendre une nébuleuse solaire encore froide
  • 2. Utiliser la gravité pour chauffer le centre et créer une proto-étoile
  • 3. Remuer la nébuleuse jusqu'à obtenir un disque
  • 4. Continuer à remuer pour obtenir des grains de matière
  • 5. Utiliser la gravité pour créer des planètes à partir des planétésimaux eux même formés à partir des grains
  • 6. Laisser la proto-étoile balayer toute la matière non utilisée vers l'espace interstellaire
  • 7. Laisser refroidir 100 millions d'années
  • 8. Les exoplanètes sont prêtes à être observées !

 


Références : Recette inspirée d'une infographie de la NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)

 



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