Origine et Formation

Page 198 : Tout commence il y a environ 4,6 milliards d’années : un nuage interstellaire traverse l’onde spirale qu’est un bras galactique, il en résulte une compression qui provoque la fragmentation d’un nuage moléculaire en « globules ». L’un de ces globules s’effondre sous son propre poids et devient la nébuleuse primitive ancêtre commun du soleil et des planètes.

Au centre de l’œuvre le soleil commence son existence avec une période pendant laquelle il va souffler un vent stellaire très puissant semblable à celui que l’on observe autour des étoiles T Tauris. Page 199 : Toutefois il semblerait que les planètes ont du être formées tôt dans l’histoire du système solaire et avant que le soleil ne passe par cette phase T Tauris et ne balaye tout sur son passage : poussières hydrogène hélium.

Le Protosoleil tirait son énergie de sa contraction il était des dizaines de fois plus lumineux que le soleil actuel. Les petites flèches rouges et vertes indiquent l’énergie partant de sa contraction. Cet effondrement a duré une vingtaine de millions d’années, puis les réactions thermonucléaires ont démarré au centre du soleil : pression densité et température ont augmenté et les protons ont fusionné pour former des noyaux d’hélium.

Alors qu’apparaissait le Protosoleil un disque de gaz se formait, sur l’œuvre il est représenté à l’intérieur du premier cercle jaune entourant le soleil : en jaune pâle des nuages de gaz et de poussières circulent, le fait que les planètes tournent toutes dans le même plan sur des orbites circulaires est une survivance de cette première étape.

Page 200 : Comment passer d’un disque entourant une protoétoile au système solaire avec ses planètes ? Avec la détection des planètes extrasolaires et l’observation du système solaire, on s’aperçoit depuis une vingtaine d’années que les processus de formation peuvent conduire à une grande variété de situations.

Dès que le soleil a cessé sa contraction un refroidissement brutal s’est produit, le gaz s’est alors solidifié en grains d’une taille de l’ordre de quelques microns à quelques millimètres. Au fur et à mesure du refroidissement divers minéraux et glaces se sont condensés : près du soleil des éléments composés réfractaires, loin du soleil des glaces. Sur l’œuvre dans le deuxième cercle jaune on voit les grains qui s’agglomèrent petit à petit. Page 201 : On a compris dans les années 1970 que des instabilités dans le disque de grains se sont développées et ont conduit en quelques années à la formation de petits corps. De tels corps appelés « planétésimaux » s’agglomèrent par le jeu de leurs collisions mutuelles en corps d’une taille de mille kilomètres, on peut les considérer comme des embryons de planètes.

On a besoin de collisions relativement douces pour que le matériau s’accumule progressivement et donne naissance aux planètes : il faut pour cela une vitesse relative des corps qui soit faible avec des orbites formant des ellipses concentriques (pas d’orbites excentriques avec vitesses importantes qui aboutiraient à la cassure des planétésimaux). Ces collisions sont représentées sur l’œuvre par l’agglomération de petits cailloux tournant autour

d’un corps un peu plus massif. Les collisions plus violentes sont symbolisées par un petit éclat orangé aboutissant à la cassure et à la dispersion des petits cailloux.

Page 202 : Le passage d’un disque de matière à un disque de planètes a duré quelques dizaines de millions d’années, ce qui est un temps très court à l’échelle astronomique. Les collisions entre planétésimaux conduisent à la formation d’embryons planétaires de quelques centaines à un millier de kilomètres de dimension. Page 203 : Les collisions violentes ont cassé les corps impliqués. Il semble que quelques gros embryons planétaires « prennent le pouvoir » en ramassant tout le matériau situé aux alentours : ainsi ils seraient le point de départ de la naissance des planètes que nous connaissons.

Page 203 : On peut distinguer autour du Soleil une limite appelée « ligne de neige » au-delà de laquelle l’eau reste gelée. Des deux côtés de cette limite, l’accumulation de matériau ne se passe pas de la même manière. Par exemple, si le gaz capté par un embryon n’est pas refroidi assez vite, il est soufflé par le Soleil avant de développer une atmosphère épaisse autour de l’embryon. La capture de gaz par un embryon sera donc plus efficace au-delà de la ligne de neige, là où la température est plus basse.

Page 204 : Plusieurs étapes se sont succédées pour aboutir à Jupiter et Saturne. Tout d’abord concernant Jupiter un grand nombre de planétésimaux se sont accumulés pour former un noyau massif entouré d’une atmosphère gazeuse de faible masse. Quand le noyau a capturé pratiquement tous les corps solides, la protoplanète continue de croître avec tout le gaz du voisinage. Page 205 : en moins de mille ans, Jupiter a capté la moitié de sa masse finale. Une grande quantité de chaleur était dissipée , le proto-Jupiter était presque aussi brillant que le jeune soleil. La planète est devenue plus grosse que Saturne Uranus et Neptune simplement parce qu’elle a été formée quelques millions d’années plus tôt. Lorsque le proto-Jupiter a atteint une taille comparable à celle de la terre, il a ramassé une quantité de gaz d’environ 300 fois la masse de la terre. Une croissance aussi rapide s’explique aussi par le fait que ce proto-Jupiter était situé juste au-delà de la « ligne des neiges ». Plus près du soleil le gaz plus chaud se serait évadé plus facilement.

Lorsque la planète est devenue suffisamment massive, elle a commandé le mouvement du gaz et l’a éliminé. Sur l’œuvre le gaz situé entre la planète et le centre est freiné par la planète et retombe sur le soleil en flèches jaunes. Quant au gaz situé à l’extérieur il est accéléré par la planète et il tend à s’en éloigner.

Page 206 : L’émergence rapide du gros Jupiter a conditionné la suite de l’histoire en favorisant l’apparition d’une seconde génération de planètes géantes. En condensant du gaz dans des régions extérieures et par son action gravitationnelle, en éjectant des planétésimaux aux confins du disque, le jeune Jupiter alimente la formation des autres planètes en matières premières. Saturne a pu ainsi être formée très vite. Sans l’action de Jupiter, Uranus et Neptune n’auraient probablement jamais atteint leur taille actuelle car loin du soleil la croissance d’un corps est très lente et le disque de gaz se dissipe bien avant la formation d’une grosse planète. D’autre part toutes les planètes du système solaire sont dans le plan de l’équateur du soleil sur des trajectoires circulaires, ce qui a assuré la stabilité du système solaire. Si par contre deux planètes avaient été formées trop près l’une de l’autre, elles auraient pu interagir et être catapultées sur des orbites fortement excentriques et inclinées, semant la perturbation dans tout le système solaire. Finalement il a fallu beaucoup de hasards pour que le système solaire devienne ce qu’il est aujourd’hui. Si la répartition du gaz autour du protosoleil avait été un peu différente, le résultat final aurait été très différent.

Gardons un ordre de temps : 1 à 10 millions d’années pour la formation de Jupiter et des planètes géantes ; 10 à 100 millions d’années pour la formation des planètes telluriques. Ces dernières contiennent des éléments dont le point de fusion est élevé tel du fer ou des roches silicatées, ce qui montre qu’elles ont été formées à l’intérieur de la ligne de neige.

Les perturbations mutuelles des jeunes Jupiter et Saturne ont eu pour conséquence de les faire entrer en résonance, c’est-à-dire que leur période de révolution autour du Soleil étaient commensurables. Ceci a pour effet de semer l’agitation dans la population des petits corps, planétésimaux astéroïdes comètes. Certains d’entre eux sont chassés aux confins du système solaire, d’autres sont précipités dans le soleil ou sur les planètes. Sur l’œuvre la direction des comètes ou astéroïdes chassés du système solaire est indiqué par une flèche jaune. L’entrée en résonance de Jupiter et Saturne a déstabilisé le système des planètes géantes : Uranus et Neptune ont acquis des orbites très excentriques, puis ont pénétré dans le disque de planétésimaux, ce qui les a conduit vers leur trajectoires actuelles à nouveau circulaires. Le disque s’est trouvé dispersé par l’interaction proche de ces planètes, de nombreux planétésimaux sont dispersés dans toutes les directions et une partie d’entre eux est venue bombarder les planètes telluriques, avec une intensité environ 20000 fois supérieure à celle du bombardement actuel ! Cette période de bombardement intense s’est produit alors que le système solaire était âgé d’environ 800 millions d’années (page 208). Avec la migration des géantes, les orbites de Neptune et Pluton atteignent à ce moment là la synchronisation qu’elles connaissent actuellement : la résonance 3/2.

Page 208 : Actuellement de nombreux petits corps qui n’ont pas été utilisés pour former les planètes et satellites demeurent les restes des planétésimaux primitifs. Les comètes apparaissent comme les « planétésimaux du froid » aux confins extérieurs du système solaire alors que les astéroïdes seraient plutôt les « planétésimaux du chaud » plus près du Soleil. Au début de l’histoire du système solaire les collisions étaient très nombreuses, actuellement les astéroïdes petits cailloux comètes se déplacent sur des orbites inclinées et excentriques et heurtent de temps en temps les planètes et les satellites, mais le taux de collisions est bien moins important qu’autrefois.

Au delà de l’orbite de Jupiter, j’ai représenté quelques éléments chimiques : H2O glace d’eau, CO2 dioxyde de carbone, CH4 méthane (page 200).

Actuellement le voyage à la recherche de nos origines se poursuit avec notre petite sonde New Horizons en route pour le survol de Pluton et la découverte de la Ceinture de Kuiper : dans quelques années les découvertes et les rencontres qu’elle fera nous ouvriront de nouvelles voies. Le projet Pan-Starrs et le LSST à partir de 2014 nous offrirons également un nouveau regard sur nos origines.