7.4 : Origine du système solaire

Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

• Décrire les caractéristiques des planètes utilisées pour créer des modèles de formation du système solaire
• Décrire comment les caractéristiques des systèmes extrasolaires nous aident à modéliser notre propre système solaire
• Expliquer l'importance des collisions dans la formation du système solaire

Une grande partie de l'astronomie est motivée par le désir de comprendre l'origine des choses : de trouver des réponses au moins partielles à des questions séculaires sur la provenance de l'univers, du Soleil, de la Terre et de nous-mêmes. Chaque planète et lune est un endroit fascinant qui peut stimuler notre imagination alors que nous essayons de nous imaginer ce que ce serait de visiter. Pris ensemble, les membres du système solaire préservent des modèles qui peuvent nous renseigner sur la formation de l'ensemble du système. Alors que nous commençons notre exploration des planètes, nous voulons présenter notre image moderne de la formation du système solaire.

La découverte récente de centaines de planètes en orbite autour d'autres étoiles a montré aux astronomes que de nombreux systèmes exoplanétaires peuvent être très différents du nôtre. Par exemple, il est courant que ces systèmes incluent des planètes de taille intermédiaire entre nos planètes terrestres et géantes. On les appelle souvent des superterres. Certains systèmes d'exoplanètes ont même des planètes géantes proches de l'étoile, inversant ainsi l'ordre que nous voyons dans notre système. Dans La naissance des étoiles et la découverte de planètes en dehors du système solaire, nous examinerons ces systèmes d'exoplanètes. Mais pour l'instant, concentrons-nous sur les théories de la formation et de l'évolution de notre propre système.

À la recherche de modèles

L'une des manières d'aborder notre question d'origine est de rechercher les régularités entre les planètes. Nous avons découvert, par exemple, que toutes les planètes se trouvent à peu près dans le même plan et tournent dans la même direction autour du Soleil. Le Soleil tourne également dans la même direction autour de son propre axe. Les astronomes interprètent ce schéma comme la preuve que le Soleil et les planètes se sont formés ensemble à partir d'un nuage de gaz et de poussière en rotation que nous appelons la nébuleuse solaire (Figure\(\PageIndex{1}\)).

Figure : Nébuleuse\(\PageIndex{1}\) solaire. La conception de la nébuleuse solaire par cet artiste montre le nuage aplati de gaz et de poussière à partir duquel notre système planétaire s'est formé. Des planétésimaux glacés et rocheux (précurseurs des planètes) sont visibles au premier plan. Le centre lumineux est l'endroit où se forme le soleil. (crédit : William K. Hartmann, Institut des sciences planétaires)

La composition des planètes donne un autre indice sur leurs origines. L'analyse spectroscopique nous permet de déterminer quels éléments sont présents dans le Soleil et les planètes. Le Soleil a la même composition dominée par l'hydrogène que Jupiter et Saturne et semble donc avoir été formé à partir du même réservoir de matière. En comparaison, les planètes terrestres et notre Lune sont relativement déficientes en gaz légers et en diverses glaces qui se forment à partir des éléments communs que sont l'oxygène, le carbone et l'azote. Au lieu de cela, sur Terre et dans ses voisins, nous voyons principalement des éléments lourds plus rares tels que le fer et le silicium. Ce schéma suggère que les processus qui ont conduit à la formation des planètes dans le système solaire interne ont dû d'une manière ou d'une autre exclure une grande partie des matériaux plus légers courants ailleurs. Ces matériaux plus légers ont dû s'échapper, laissant des résidus de matières lourdes.

La raison n'est pas difficile à deviner, compte tenu de la chaleur du soleil. Les planètes intérieures et la plupart des astéroïdes sont constitués de roches et de métaux, qui peuvent survivre à la chaleur, mais ils contiennent très peu de glace ou de gaz, qui s'évaporent lorsque les températures sont élevées. (Pour comprendre ce que nous voulons dire, il suffit de comparer la durée de survie d'une pierre et d'un glaçon lorsqu'ils sont exposés au soleil.) Dans le système solaire extérieur, où il a toujours fait plus frais, les planètes et leurs lunes, ainsi que les planètes naines glacées et les comètes, sont principalement composées de glace et de gaz.

Des preuves venues de loin

Une deuxième approche pour comprendre les origines du système solaire consiste à regarder vers l'extérieur pour trouver des preuves que d'autres systèmes de planètes se forment ailleurs. Nous ne pouvons pas nous souvenir de la formation de notre propre système, mais de nombreuses étoiles dans l'espace sont beaucoup plus jeunes que le Soleil. Dans ces systèmes, les processus de formation des planètes peuvent encore être accessibles à l'observation directe. Nous observons qu'il existe de nombreuses autres « nébuleuses solaires » ou disques circumstellaires, c'est-à-dire des nuages de gaz et de poussière aplatis qui tournent autour de jeunes étoiles. Ces disques ressemblent aux premiers stades de formation de notre propre système solaire il y a des milliards d'années (Figure\(\PageIndex{2}\)).

Figure :\(\PageIndex{2}\) Atlas des pépinières planétaires. Ces photos du télescope spatial Hubble montrent des sections de la nébuleuse d'Orion, une région relativement proche où les étoiles se forment actuellement. Chaque image montre un disque circumstellaire intégré en orbite autour d'une très jeune étoile. Vues sous différents angles, certaines sont stimulées par la lumière d'une étoile voisine, tandis que d'autres sont sombres et visibles en silhouette face au gaz brillant de la nébuleuse d'Orion. Chacune est un analogue contemporain de notre propre nébuleuse solaire, un lieu où des planètes se forment probablement aujourd'hui. (source : modification des travaux par la NASA/ESA, L. Ricci (ESO))

Construire des planètes

Les disques circumstellaires sont monnaie courante autour des très jeunes étoiles, ce qui suggère que les disques et les étoiles se forment ensemble. Les astronomes peuvent utiliser des calculs théoriques pour voir comment les corps solides peuvent se former à partir du gaz et de la poussière contenus dans ces disques lorsqu'ils se refroidissent. Ces modèles montrent que la matière commence d'abord à fusionner en formant des objets plus petits, précurseurs des planètes, que nous appelons planétésimaux.

Les ordinateurs rapides d'aujourd'hui peuvent simuler la façon dont des millions de planétésimaux, dont le diamètre ne dépasse probablement pas 100 kilomètres, peuvent se rassembler sous leur gravité mutuelle pour former les planètes que nous voyons aujourd'hui. Nous commençons à comprendre que ce processus a été violent, les planétésimaux s'écrasant les uns contre les autres et perturbant parfois même les planètes en croissance elles-mêmes. À la suite de ces impacts violents (et de la chaleur des éléments radioactifs qu'elles contiennent), toutes les planètes ont été chauffées jusqu'à devenir liquides et gazeuses, et donc différenciées, ce qui explique leurs structures internes actuelles.

Le processus des impacts et des collisions au début du système solaire était complexe et, apparemment, souvent aléatoire. Le modèle de nébuleuse solaire peut expliquer bon nombre des régularités que nous trouvons dans le système solaire, mais les collisions aléatoires de collections massives de planétésimaux pourraient être à l'origine de certaines exceptions aux « règles » du comportement du système solaire. Par exemple, pourquoi les planètes Uranus et Pluton tournent-elles sur le côté ? Pourquoi Vénus tourne-t-elle lentement et dans la direction opposée aux autres planètes ? Pourquoi la composition de la Lune ressemble-t-elle à la Terre à bien des égards tout en présentant des différences substantielles ? Les réponses à ces questions se trouvent probablement dans d'énormes collisions qui se sont produites dans le système solaire bien avant le début de la vie sur Terre.

Aujourd'hui, quelque 4,5 milliards d'années après son origine, le système solaire est, Dieu merci, beaucoup moins violent. Comme nous le verrons, cependant, certains planétésimaux ont continué à interagir et à entrer en collision, et leurs fragments se déplacent dans le système solaire sous forme de « transitoires » itinérants qui peuvent créer des problèmes pour les membres établis de la famille du Soleil, tels que notre propre Terre. (Nous abordons cette « création de troubles » dans Comets and Asteroids : Debris of the Solar System.)

Une grande variété d'infographies sur space.com vous permet d'explorer ce que serait la vie dans différents mondes du système solaire.

Concepts clés et résumé

Les régularités entre les planètes ont amené les astronomes à émettre l'hypothèse que le Soleil et les planètes se sont formés ensemble pour former un nuage géant de gaz et de poussière en rotation appelé nébuleuse solaire. Les observations astronomiques montrent des disques circumstellaires étonnamment similaires autour d'autres étoiles. Dans la nébuleuse solaire, la matière a d'abord fusionné pour former des planétésimaux ; beaucoup d'entre eux se sont rassemblés pour former les planètes et les lunes. Les autres peuvent encore être considérés comme des comètes et des astéroïdes. Tous les systèmes planétaires se sont probablement formés de la même manière, mais de nombreux systèmes d'exoplanètes ont évolué selon des trajectoires très différentes, comme nous le verrons dans Cosmic Samples and the Origin of the Solar System.

Lexique

planétésimaux

des objets, d'un diamètre compris entre des dizaines et des centaines de kilomètres, qui se sont formés dans la nébuleuse solaire en tant qu'étape intermédiaire entre de minuscules grains et les plus gros objets planétaires que nous voyons aujourd'hui ; les comètes et certains astéroïdes peuvent être des restes de planétésimaux

nébuleuse solaire

le nuage de gaz et de poussière à partir duquel le système solaire s'est formé