Chic planètes : Billard cosmique

  Nous avons la chance de vivre dans un système qui tourne à peu près rond. Même si les orbites planétaires sont toutes elliptiques. Nos méthodes mathématiques nous permettent de dresser des éphémérides valables pour des milliers d’années, avant ou après nous.

Pourtant, il semble bien que cela n’a pas toujours été le cas. Et il se pourrait bien que dans un lointain futur, ce soit pire encore.

Nous avons tous dans l’esprit l’image de NEUF planètes tournant sagement autour du Soleil. Cet état de fait gênait cependant beaucoup d’astrophysiciens car de nombreuses questions restaient sans réponses, et de nombreuses particularités planétaires n’étaient expliquées par aucune théorie. Le genre de question dont le pékin moyen se fiche royalement, mais qui est en fait fondamental car leur non-résolution menaçait de mettre la théorie de la formation du système solaire par terre, tout simplement.

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Nous ne traiterons pas ici des milliers de mythes et de légendes qui expliquent la Création du monde. En Europe, la main-mise de l’Eglise sur la société impose le récit biblique de la Genèse comme étant une Vérité Sacrée. La nier publiquement peut facilement conduire au bûcher.

La Renaissance, et plus encore le siècle des Lumières, renvoient les curés dans leurs églises en ce qui concerne les écrits scientifiques. En 1755, Emmanuel Kant, puis Pierre-Simon de Laplace, cogitent chacun de leur coté sur les origines de la Terre. Tous deux pensent la même chose. Un nuage de gaz et de poussière s’est condensé aux premiers temps du monde pour former les planètes. En gros, c’est cela. La thèse s’étoffe ensuite et se précise, expliquant par exemple pourquoi on a 4 planètes telluriques, puis uniquement des géantes gazeuses : le vent solaire, aux premiers temps du monde, a chassé plus facilement les éléments légers tels que l’hydrogène et l’hélium loin du Soleil ou ils se sont condensés en planètes. La découverte en 1930 de Pluton vient mettre un coup de canif dans la théorie. Mais les astrophysiciens peuvent facilement démontrer que des planètes rocheuses peuvent se former aussi loin : la meilleure preuve étant l’existence des nombreux satellites rocheux d’ Uranus et de Neptune.

Le dessin qui se dégage parait très simple : un jour, un gros nuage de gaz et de poussières, sous l’influence d’ondes de choc venues d’une supernovae proche, est mis en mouvement et doté d’un mouvement de rotation sur lui-même. Les ondes de choc ont créé une zone de plus grande densité qui, par effet de gravité, va attirer en cet endroit de grosses quantité d’hydrogène. Au cours des millions d’années qui suivent, la zone centrale prend une forme sphérique pendant que sa température monte du fait de l’accumulation de matière, et, quand elle atteint un seuil critique, les noyaux d’hydrogène fusionnent pour donner de l’hélium. Le Soleil nait. Dans le reste du nuage, devenu anneau par son mouvement de rotation, le même phénomène se produit, mais la quantité de gaz y est moindre et les vents de convection ont chassé l’hydrogène loin vers l’extérieur. Les particules s’entrechoquent et forment des blocs de plus en plus gros. Bientôt ( à l’échelle des temps géologiques, soit en une dizaine de millions d’années ), neuf corps se seront formés à partir des matériaux disponibles sur place et cessent leur croissance, faute de matériau disponible. Les 9 planètes du système solaire sont en place et effectuent sagement leur ronde perpétuelle.

L’accrétion est le phénomène qui, par collision successive, nettoie les orbites des poussières et de fragments par effet de gravité pour former une planète. De tels disques sont observés actuellement autour d’étoiles jeunes, telles que Formalhaut (alpha pisces austini), qui en prime semble avoir déjà aussi formé une planète.

C’est simple. Mais faux. Forcément faux pour les astrophysiciens qui se rendent compte, au fur et à mesure que la science progresse, que de nombreuses impossibilités se font jour, et que de nombreuses questions restent sans réponses avec une théorie pareille.

Ainsi, si cela s’était vraiment passé ainsi, pourquoi et comment...

 ★ Mercure se révèle être un corps si riche en fer, élément lourd certes, mais en quantité bien supérieure à ce qu’on pourrait s’attendre à y trouver à sa surface ?

★ Vénus se révèle, grâce aux sondes et aux relevés radars, avoir une rotation en sens rétrograde, extrêmement lente, qui fait que la planète possède un jour plus long que son année ?

• La Terre pourrait posséder un si gros satellite, alors que les autres planètes telluriques n’ont rien de tel ?

• Uranus et Neptune pourraient être si grosses, alors que la quantité de matière et de gaz disponibles sur leurs orbites ne semble pas permettre une telle dimension ?

★ Uranus « roule » sur son orbite, son axe de rotation quasiment confondu avec le plan de l’écliptique ?

• Neptune possède plus d’éléments lourds dans son atmosphère qu’ Uranus, alors qu’en toute logique c’est le contraire qui devrait se produire ?

• Neptune possède un si gros satellite ( Triton ) qui orbite autour en sens rétrograde ?

• La ceinture de Kuipert comporte des objets aussi gros ? La quantité de matière disponible ne devant pas permettre de telles accrétions.

Il en est bien d’autres encore, du même tonneau.

La partie commence : pleines ou rayées ?

La première partie de la théorie semble correcte cependant. Nous sommes à l’Hadéen ( - 4 600 millions d’années). Le Soleil brûle son hydrogène depuis une petite centaine de millions d’années. L’accrétion a formé un grand nombre de planétoïdes ( entre 50 et 100 ) qui, du fait de leurs orbites excentriques et irrégulières, soumises aux effets gravitationnels mutuels, les ont amenés à se heurter parfois et ainsi à fusionner. Parfois, le moment et le mouvement angulaire fait que deux planétoïdes échangent leurs mouvements et envoient l’un au coeur du Soleil pour une incinération rapide, et l’autre dans une course éternelle en dehors de son orbite et du Système, pour se perdre dans l’univers.

L’effet de fronde et utilisé aujourd’hui pour certaines sondes spatiales. Cela permet de les placer sur les orbites les plus incongrues parfois avec un minimum de carburant. Mais rien ne se perd dans la nature. Ainsi, chaque fois qu’une sonde utilise un planète pour accélérer son mouvement, elle ralentit en contrepartie le mouvement de la planète utilisée. Mais cela se compte en milli-secondes.

Au niveau de la troisième orbite, le ménage n’est pas encore fait, mais il se termine. L’accrétion des débris a donné naissance à deux corps : Gaïa, le plus massif, et Orphée, plus petit, situé au point de Lagrange 4, un endroit stable, en théorie. Les effets de marée, ainsi que les perturbations gravitationnelles dues au Soleil, chassent finalement Orphée de son point d’équilibre et le placent sur une trajectoire de collision tangentielle avec Gaïa. L’impact est titanesque. Orphée est pulvérisé et fusionne en partie avec Gaïa, qui perd également une partie de sa croûte. Les débris se placent en orbite ou l’accrétion permet de réassembler le tout sous la forme d’un gros satellite : la Lune, qui orbite autour de ce qui est désormais la Terre.

Orphée, que d’autres appellent aussi Théia, termine son existence en heurtant Gaïa. Dans quelques siècles, les débris de l’impact auront formé une Lune massive dont l’importance est plus grande que ce que l’on croit.

Plus loin, sur l’orbite 5, les fragments commencent aussi à s’assembler, mais la croissance rapide, sur l’orbite 6, d’une géante gazeuse, provoque des effets de résonance et l’accrétion y est finalement stoppée. L’orbite 6 est située juste au delà de ce que l’on appelle la limite de Glace, le point ou la glace (d’eau ou d’autre produit volatile) peut demeurer dans cet état du fait de son éloignement par rapport au Soleil : l’eau y est très présente alors que dans le Système interne, cet élément en est absent. Cela favorise la condensation des gaz légers et des masses énormes d’ hydrogène, d’ hélium et de méthane se rassemblent autour des plus gros planétésimaux.

Viser la 7 pour mettre la 8 en place

Pour expliquer toutes les incongruités précitées, incompatibles avec la belle histoire de la ronde millénaire, les astronomes ont, comme on vient de le voir, progressivement revus les premiers temps du Système Solaire. Ils ont été aidés en cela en découvrant le fait que les orbites des planètes telluriques étaient...chaotiques !

Ce fut un choc pour les planétologues, mais les calculs du professeur Laskar étaient formels. Il est impossible, pour quiconque, de prévoir, à l’échelle de 2 à 230 millions d’années selon les planètes, leur positionnement exact sur leur orbite. Pire encore, il s’avère également impossible de prouver que dans ces laps de temps, les 4 premières planètes du système seront bien encore présentes sur leurs orbites. La faute en revient en premier lieu à la marge d’erreur de positionnement qui augmente de façon exponentielle avec le temps. Et aussi à cause des effets de résonance orbitale qui peuvent dès lors se produire. On obtient ainsi juste une « fourchette » plus ou moins large selon les planètes, mais les résultats sont édifiants.

De cette façon, Pluton aura un positionnement dit « inconnu » au delà de 20 millions d’années vers le futur.

Pour Mars, Vénus et Mercure, les choses sont pires encore. Leur relative proximité avec le Soleil fait qu’il devient possible, quoique peu probable, que ces planètes intervertissent leurs orbites dans un horizon de 5 milliards d’années. Les risques de collisions cosmiques, ou pire, d’éjection du système, ne sont dès lors pas négligeables.

Un exemple de ce que l’orbite de Mercure pourrait devenir dans 3, puis 50 millions d’années. Admirez l’imprécision du résultat...

La Terre, elle, est relativement protégée à ce niveau : la Lune agit comme un stabilisateur orbital, et selon les méthodes de calcul, rien de nuisible ne devrait lui arriver d’ici 1 à 4 milliards d’années.

Partant de ce principe chaotique, les astronomes ont refait leurs thèses, et se sont donc basés sur un système primitif non pas ordonné, mais bordélique. C’est le modèle dit de Nice, car élaboré en 2005 à l’observatoire de Nice par le brésilien Gomez, l’américain Lévison, le français Morbidelli et le grec Tsiganis.

Pour bien comprendre leur thèse (illustrée ici), il faut juste rappeler qu’aujourd’hui :

Jupiter tourne à 5,2 UA du Soleil, Saturne à 10 UA du Soleil, Uranus à 19 UA du Soleil, Neptune à 30 UA du Soleil et que la ceinture de Kuipert est contenue entre 35 et 55 UA.

Selon le modèle de Nice, aux premiers âges du Système ( 400 millions d’années à peine après la naissance du Soleil ), Jupiter était à environ 6 UA du Soleil et Uranus, la gazeuse en formation à l’époque la plus lointaine (ceci pour tenir compte de sa plus grande richesse en éléments légers, ce qui fait que l’on avait à la file Jupiter, Saturne, Neptune et Uranus ), à 17 UA. Ce qui allait devenir la ceinture de Kuipert se trouvant à 30 UA.

L’ accrétion terminée, il est resté les débris qui, par phénomène d’assistance gravitationnelle, ont échangé leurs moments cinétiques. Pour conserver leur vitesse angulaire, les orbites se sont alors modifiées, et le pire est arrivé : Jupiter et Saturne ont vus leurs orbites entrer en résonance 1/2 ( Jupiter bouclant deux tours du Soleil quand Saturne n’en faisait qu’un). Comme il s’agissait, hors Soleil, des deux plus grosses masses du Système, l’effet a été catastrophique. L’excentricité orbitale s’accroit, et provoque un effet de fronde puissant qui catapulte Neptune vers sa position actuelle, au 8è rang des planètes. Uranus en subit aussi l’effet, mais s’éloigne moins, sans doute en raison de sa position angulaire orbitale plus éloignée du binôme Jupiter-Saturne au moment de la conjonction. L’ effet est cataclysmique en ce qui concerne la future ceinture de Kuipert : le transit de Neptune éjecte les débris sur une orbite plus large, peut-être même en projetant des débris vers le nuage de Oort. Mais nombre de débris sont précipités vers le système interne, et déclenchent le Grand Bombardement Tardif qui, pendant une centaine de millions d’années, va faire se percuter tout cela avec les planètes telluriques : c’est la raison pour laquelle quasiment tous les cratères lunaires et mercuriens sont datés de cette période. Le fait que Vénus, la Terre et à cette époque Mars soient géologiquement actives ont permis d’effacer avec le temps les cratères d’impact. Et quand on parle de débris, il faut avoir à l’esprit que leur taille est très variable, de quelques dizaines de mètres à quelques centaines de kilomètres de diamètre !

La Lune porte les stigmates du GBT. L’érosion et la géologie active de la Terre en ont fait disparaitre quasiment tous les vestiges sur notre sol.

Il est dès lors probable que Mercure s’est vue heurtée par un gros fragment, qui a fait voler sa jeune croûte en éclats qui se sont alors dispersés sous l’effet du vent solaire : ce que l’on observe de Mercure ne serait pas sa surface, mais la partie supérieure de son Manteau, plus riche en fer.

De la même façon, Vénus a pu subir un choc identique, et lui donner ce mouvement de rotation inverse par rapport aux autres planètes. Ce n’est pas certain : des astronomes ont démontré que sa rotation a pu être altérée, et au final inversée, par le frottement de sa propre atmosphère, 90 fois plus dense que celle de la Terre.

Mars aura profité du Bombardement pour capturer deux cailloux qui continuent de lui servir de satellite. Du moins pour le moment : les effets de marée rapprochent Phobos de sa surface et dans 11 millions d’années, il franchira la limite de Roche et se fragmentera en particules. Deimos, lui, échappe lentement à l’emprise martienne et repartira dans le Système solaire comme astéroïde indépendant.

La Lune y aura gagné son aspect grêlé. Uranus, projetée de son orbite vers une autre, aura été heurtée par un gros planétoïde qui aura couché son axe de rotation sur sa position actuelle et lors de son transit, Neptune aura capturé Triton, qui autrefois orbitait indépendamment tel que Pluton actuellement. Ce qui explique son orbite rétrograde qui l’amène, lentement mais sûrement, vers la surface de Neptune, lui faisant franchir la limite de Roche dans environ 2,5 milliards d’années.

Triton tourne aujourd’hui autour de Neptune et finira par être broyée par cette dernière. Autrefois, ce corps était une planète. Il est probable que Triton ait eu lui-même un satellite qui aura été éjecté lors de sa capture.

La 9, par la bande !

La résonance Jupiter-Saturne cesse d’agir quand Saturne finit par être positionnée sur une orbite plus large, ce qui fait cesser les effets de fronde. Les conséquences ne se limitent pourtant pas à cela : la ceinture de Kuipert a été en grande partie dispersée, éloignée et une part non négligeable de ses matériaux réinjectés dans le système solaire interne. Et parmi ses matériaux, on y trouve l’eau.

Cet élément était présent partout dans le nuage primordial, mais les hautes températures et le vent solaire ont chassé cet élément au moins au niveau de l’orbite de Jupiter, faisant des 4 planètes telluriques des déserts arides. Le Grand Bombardement Tardif aura, sous forme de comètes, réintroduit l’eau dans un milieu ou cet élément peut encore y exister car les températures infernales se sont limitées aux abords immédiats du Soleil.

Toutes les planètes ont eu leur part, mais la destinée de cet élément a différé selon les endroits.

Mercure était trop petite pour la garder. Le vent solaire a dispersé l’eau qui y était revenue, la décomposant aussi sous forme d’oxygène et d’hydrogène qui sera repartie vers les régions froides, au delà de Jupiter. Mercure est un monde sec, sauf, peut-être, au fond de certains cratères de ses pôles, là ou le Soleil ne se lève jamais.

Vénus a pu retenir son eau, mais sa température infernale ( plus de 400 ° ) due à un effet de serre géant a contraint l’eau à rester sous forme de vapeur. Elle y a certainement été photolysée : les rayons UV, non filtrés car l’ozone n’y existe pas, ont cassé les molécules. L’hydrogène, très léger, est parti dans l’espace. L’oxygène est resté, mais on n’en trouve que très peu de trace : il est probable que l’oxygène ait fusionné avec le fer pour former des oxydes. C’est la raison pour laquelle Vénus est une planète très sèche.

C’est sans doute une combinaison de la destinée mercuro-vénusienne qui fait que Mars est également un désert sec. Sans ozone pour filtrer les UV, l’eau est progressivement photolysée et l’hydrogène éjecté dans l’espace. Il est toutefois certain maintenant que, durant le premier milliard d’années, Mars a absorbé en son sol une partie de l’eau, qui y demeure aujourd’hui encore sous forme gelée.

La Terre, elle, a pu garder son eau, car elle peut l’y conserver sous forme liquide en grande quantité de façon naturelle. Sa relative pauvreté en fer aura évité une trop grande oxydation et permis que l’oxygène libéré par le bombardement des UV soit recombiné en partie en ozone stratosphérique, qui bloque une grande partie de ces rayonnements.

Snooké !

Ce schéma de formation semble compliqué à première vue. Trop, peut-être. 

Mais il a le mérite d’expliquer tout ce qui ne collerait autrement pas avec une théorie plus « gentille ».

Surtout, ce mode de formation planétaire, semble être validé par les observations des Systèmes d’autres étoiles.

La découverte, certifiée, de planètes tournant autour d’autres étoiles a permis de considérer que la présence de tels corps est bien plus courant que ce que l’on pouvait penser. Mais les observations ont également montré que le modèle dit Standard ( planètes telluriques, puis gazeuses), était plus une exception qu’une règle !

51 Pegasi, 55 Cancri, Upsilon Andromedae, et environ 400 autres étoiles au noms aussi poétiques, abritent des systèmes allant de 1 à 5 planètes, qui tous semblent différents les uns des autres. On y trouve parfois des gazeuses de type Jupiter plus proche de leur étoile que Mercure ne l’est de notre Soleil ! 

Un tel positionnement ne peut être possible que par un effet de fronde géant, la planète se formant loin de son étoile, puis y étant catapultée par effet gravitationnel. Dans ce cas, il est clair que les planètes telluriques qui s’y trouvaient ont fini en cendres ou perdues dans l’espace.

Osiris tourne autour de l’étoile HD 209458 Pegasii. Son année dure 3,5 jours terrestre ! Sa très grande proximité avec son soleil fait qu’elle voit son atmosphère lentement soufflée par le vent solaire malgré sa taille légèrement plus élevée que celle de Jupiter.

Histoire de vérifier, les astrophysiciens se sont « amusés » à voir ce qui se serait passé si, la quantité de gaz disponible étant plus importante, Saturne avait pu continuer à grossir jusqu’à égaler Jupiter en taille. Le résultat est édifiant : le système planétaire ne se stabilise pas et la fronde gravitationnelle éjecte l’une des géantes dans l’univers pendant que l’autre plonge vers le Soleil, broyant ou éjectant les petits cailloux dont celui ou nous sommes lors du transit.

Saturne dévorant ses enfants. Cette version de Goya se trouve être assez prophétique quand on a lu ce qui précède... 

On est véritablement peu de chose.

Et il s’en est fallu de peu de n’être moins que rien...