21.6 : Nouvelles perspectives sur la formation des planètes
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Objectifs d'apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Expliquer comment les découvertes d'exoplanètes ont modifié notre compréhension de la formation des planètes
- Discutez de la façon dont des systèmes planétaires très différents de notre système solaire ont pu être créés
Traditionnellement, les astronomes ont supposé que les planètes de notre système solaire se sont formées à peu près à leur distance actuelle du Soleil et qu'elles y sont restées depuis. La première étape de la formation d'une planète géante consiste à constituer un noyau solide, ce qui se produit lorsque des planétésimaux entrent en collision et se collent. Finalement, ce noyau devient suffisamment massif pour commencer à balayer la matière gazeuse contenue dans le disque, formant ainsi les géantes gazeuses Jupiter et Saturne.
Comment créer un Jupiter chaud
Le modèle traditionnel de formation des planètes ne fonctionne que si les planètes géantes se forment loin de l'étoile centrale (environ 5 à 10 UA), où le disque est suffisamment froid pour avoir une densité de matière solide assez élevée. Cela n'explique pas les Jupiter chauds, situés tout près de leurs étoiles où toute matière première rocheuse serait complètement vaporisée. Cela ne peut pas non plus expliquer les orbites elliptiques que nous observons pour certaines exoplanètes, car l'orbite d'une protoplanète, quelle que soit sa forme initiale, deviendra rapidement circulaire par interaction avec le disque de matière environnant et le restera au fur et à mesure que la planète grandit en balayant de la matière supplémentaire.
Nous avons donc deux options : soit nous trouvons un nouveau modèle pour former des planètes proches de la chaleur accablante de l'étoile mère, soit nous trouvons un moyen de modifier les orbites des planètes afin que les Jupiter froids puissent se déplacer vers l'intérieur après leur formation. La plupart des recherches appuient aujourd'hui cette dernière explication.
Les calculs montrent que si une planète se forme alors qu'une quantité importante de gaz reste dans le disque, une partie du moment cinétique orbital de la planète peut être transférée vers le disque. Au fur et à mesure qu'elle perd de son élan (grâce à un processus qui nous rappelle les effets de la friction), la planète s'enfoncera en spirale vers l'intérieur. Ce processus permet de transporter des planètes géantes, initialement formées dans les régions froides du disque, plus près de l'étoile centrale, produisant ainsi des Jupiter chauds. Les interactions gravitationnelles entre les planètes du système solaire primitif chaotique peuvent également provoquer des lancements de planètes vers l'intérieur à de grandes distances. Mais pour que cela fonctionne, l'autre planète doit emporter le moment cinétique et se déplacer vers une orbite plus éloignée.
Dans certains cas, nous pouvons utiliser la combinaison du transit et des mesures Doppler pour déterminer si les planètes orbitent dans le même plan et dans la même direction que l'étoile. Dans les premiers cas, les choses semblaient fonctionner exactement comme prévu : comme le système solaire, les planètes géantes gazeuses orbitaient dans le plan équatorial de leur étoile et dans la même direction que l'étoile tournante.
Ensuite, des découvertes surprenantes ont été faites sur des planètes géantes gazeuses qui orbitaient à angle droit ou même dans le sens inverse de la rotation de l'étoile. Comment cela a-t-il pu se produire ? Encore une fois, il a dû y avoir des interactions entre les planètes. Il est possible qu'avant que le système ne s'installe, deux planètes se sont rapprochées, de sorte que l'une d'elles a été projetée sur une orbite inhabituelle. Ou peut-être qu'une étoile passante a perturbé le système après la formation des planètes.
Former des systèmes planétaires
Lorsque la Voie lactée était jeune, les étoiles qui se formaient ne contenaient pas beaucoup d'éléments lourds comme le fer. Plusieurs générations de formation et de mort d'étoiles ont été nécessaires pour enrichir le milieu interstellaire pour les générations suivantes d'étoiles. Comme les planètes semblent se former « à l'envers », à commencer par l'accrétion des matériaux qui peuvent former les noyaux rocheux avec lesquels les planètes prennent naissance, les astronomes se sont demandé quand, dans l'histoire de la Galaxie, la formation des planètes allait commencer.
L'étoile Kepler-444 a fait la lumière sur cette question. Il s'agit d'un système dense de cinq planètes, la plus petite étant de taille comparable à Mercure et la plus grande de taille similaire à celle de Vénus. Les cinq planètes ont été détectées par le vaisseau spatial Kepler alors qu'elles transitaient par leur étoile mère. Les cinq planètes gravitent autour de leur étoile hôte en moins de temps qu'il faut à Mercure pour effectuer une orbite autour du Soleil. Fait remarquable, l'étoile hôte Kepler-444 a plus de 11 milliards d'années et s'est formée alors que la Voie lactée n'avait que 2 milliards d'années. Les éléments les plus lourds nécessaires à la fabrication des planètes rocheuses devaient donc déjà être disponibles à l'époque. Cet ancien système planétaire indique le début de la formation des planètes rocheuses relativement peu de temps après la formation de notre Galaxie.
Les données de Kepler montrent que si les planètes rocheuses situées à l'intérieur de l'orbite de Mercure sont absentes de notre système solaire, elles sont communes autour d'autres étoiles, comme Kepler-444. Lorsque les premiers systèmes regorgeant de planètes rocheuses proches ont été découverts, nous nous sommes demandé pourquoi ils étaient si différents de notre système solaire. Lorsque de nombreux systèmes de ce type ont été découverts, nous avons commencé à nous demander si c'était notre système solaire qui était différent. Cela a conduit à spéculer que d'autres planètes rocheuses auraient déjà existé près du Soleil dans notre système solaire.
Les mouvements du système solaire externe indiquent que Jupiter a peut-être migré vers l'intérieur il y a longtemps. Si c'est le cas, les perturbations gravitationnelles de Jupiter auraient pu déloger les orbites de planètes rocheuses proches, les faisant tomber dans le Soleil. Conformément à cette image, les astronomes pensent maintenant qu'Uranus et Neptune ne se sont probablement pas formés à leur distance actuelle du Soleil, mais plutôt plus près de l'endroit où se trouvent actuellement Jupiter et Saturne. La raison de cette idée est que la densité du disque de matière entourant le Soleil au moment de la formation des planètes était si faible en dehors de l'orbite de Saturne qu'il faudrait plusieurs milliards d'années pour construire Uranus et Neptune. Pourtant, nous avons vu plus tôt dans le chapitre que les disques qui entourent les protoétoiles ne survivent que quelques millions d'années.
Les scientifiques ont donc développé des modèles informatiques démontrant qu'Uranus et Neptune auraient pu se former près des emplacements actuels de Jupiter et de Saturne, puis être expulsés sur de plus grandes distances par des interactions gravitationnelles avec leurs voisins. Toutes ces merveilleuses nouvelles observations montrent à quel point il peut être dangereux de tirer des conclusions sur un phénomène scientifique (dans ce cas, la façon dont les systèmes planétaires se forment et s'organisent eux-mêmes) alors que vous ne travaillez qu'à partir d'un seul exemple.
Les exoplanètes ont donné naissance à une nouvelle image de la formation des systèmes planétaires, bien plus chaotique que nous ne le pensions au départ. Si nous considérons les planètes comme des patineurs sur une patinoire, notre modèle original (avec uniquement notre propre système solaire comme guide) supposait que les planètes se comportaient comme des patineurs polis, obéissant toutes aux règles de la patinoire et se déplaçant presque dans la même direction, suivant des trajectoires à peu près circulaires. La nouvelle image correspond davantage à un roller derby, où les patineurs s'écrasent les uns contre les autres, changent de direction et sont parfois complètement projetés hors de la patinoire.
Exoplanètes habitables
Alors que des milliers d'exoplanètes ont été découvertes au cours des deux dernières décennies, toutes les techniques d'observation n'ont pas permis de trouver plus de quelques candidats qui ressemblent à la Terre (Figure\(\PageIndex{1}\)). Les astronomes ne savent pas exactement quelles propriétés définiraient une autre Terre. Devons-nous trouver une planète qui ait exactement la même taille et la même masse que la Terre ? Cela peut être difficile et peut ne pas être important du point de vue de l'habitabilité. Après tout, nous n'avons aucune raison de penser que la vie n'aurait pas pu naître sur Terre si notre planète avait été un peu plus petite ou plus grande. Et n'oubliez pas que l'habitabilité d'une planète dépend à la fois de sa distance par rapport à son étoile et de la nature de son atmosphère. L'effet de serre peut réchauffer certaines planètes (comme cela a été le cas pour Vénus et de plus en plus pour la Terre).
Nous pouvons poser d'autres questions dont nous ne connaissons pas encore les réponses. Ce « jumeau » de la Terre a-t-il besoin d'orbiter autour d'une étoile de type solaire, ou pouvons-nous considérer comme candidates les nombreuses exoplanètes orbitant autour d'étoiles de classe K et M ? (À l'été 2016, des astronomes ont annoncé la découverte d'une planète ayant au moins 1,3 fois la masse de la Terre autour de l'étoile la plus proche, Proxima Centauri, qui est de type spectral M et est située à 4,2 années-lumière de nous.) Nous nous intéressons particulièrement à la découverte de planètes susceptibles de soutenir la vie comme la nôtre. Dans ce cas, nous devons trouver des exoplanètes dans la zone habitable de leur étoile, où les températures de surface correspondent à celles de l'eau liquide à la surface. C'est probablement la caractéristique la plus importante qui définit une exoplanète analogue à la Terre.
La recherche de mondes potentiellement habitables est l'un des principaux moteurs de la recherche sur les exoplanètes au cours de la prochaine décennie. Les astronomes commencent à élaborer des plans réalistes pour de nouveaux instruments capables de détecter des signes de vie sur des mondes lointains (en examinant leur atmosphère à la recherche de gaz associés à la vie, par exemple). Si nous avons besoin de télescopes dans l'espace pour trouver de tels mondes, nous devons reconnaître que des années sont nécessaires pour planifier, construire et lancer de tels observatoires spatiaux. La découverte d'exoplanètes et la connaissance que la plupart des étoiles possèdent des systèmes planétaires transforment notre conception de la vie au-delà de la Terre. Nous sommes plus près que jamais de savoir si les planètes habitables (et habitées) sont communes. Ce travail apporte un nouvel esprit d'optimisme à la recherche de la vie ailleurs, sujet sur lequel nous reviendrons dans Life in the Universe.
Découvrez l'habitabilité de différentes étoiles et planètes en essayant le simulateur interactif de zones habitables circumstellaires et sélectionnez un système stellaire à étudier.
Résumé
L'ensemble des exoplanètes est incroyablement diversifié et a conduit à une révision de notre compréhension de la formation des planètes, qui inclut la possibilité d'interactions vigoureuses et chaotiques avec la migration et la dispersion des planètes. Il est possible que le système solaire soit inhabituel (et non représentatif) dans la façon dont ses planètes sont disposées. De nombreux systèmes semblent avoir des planètes rocheuses plus éloignées que nous, par exemple, et certains ont même des « Jupiter chauds » très proches de leur étoile. Des expériences spatiales ambitieuses devraient permettre d'imager des planètes semblables à la Terre en dehors du système solaire et même d'obtenir des informations sur leur habitabilité alors que nous cherchons de la vie ailleurs.