PLANÉTAIRES SYSTÈMES

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Harmonie des mondes

La relation de Bode

En 1772, une découverte importante vient apporter de nouvelles lumières sur l'ordonnancement des planètes du système solaire. En Allemagne, Johann Elert Bode (1747-1826), directeur de l'Observatoire de Berlin, reprend à son compte une relation numérique liant les distances des planètes au Soleil. Découverte en 1741 par le philosophe allemand Christian Wolff, cette relation est précisée par son compatriote Johann Daniel Tietz (1729-1796, qui latinise son nom en Titius). S'inspirant de ces travaux, Bode publie une relation empirique qui décrit bien les distances respectives des planètes au Soleil (cf. tableau).

Distances des planètes au Soleil et loi de Titius-Bode

Tableau : Distances des planètes au Soleil et loi de Titius-Bode

Distances respectives des planètes au Soleil. Johann Elert Bode a publié une relation empirique qui décrit bien les distances respectives des planètes au Soleil (D, en ua) : D = 0,4 + (0,3 . 2n), où n prend successivement les valeurs - 8 pour Mercure, 0 pour Vénus, 1 pour la Terre, 2... 

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L'absence de planète entre Mars et Jupiter incite les astronomes de la fin du xviiie siècle à scruter le ciel à la recherche d'un astre nouveau. C'est ainsi que William Herschel découvre fortuitement Uranus en 1781. Mais, en 1801, l'abbé Giuseppe Piazzi découvre Cérès, dont on sait aujourd'hui qu'il est le plus gros des astéroïdes avec un diamètre qui est estimé à 930 kilomètres. Par la suite, de nombreux petits corps sont trouvés, dont Pallas (520 km de diamètre), Vesta (530 km), Junon (240 km), etc., jusqu'à Icare (700 m) et Adonis (150 m). Ainsi, le système solaire dispose d'une véritable ceinture composée de plusieurs milliers d'astéroïdes. On voit nettement qu'à l'exception de Neptune, qui doit se faire remplacer par Pluton, la relation de Titius-Bode s'accorde bien avec la réalité.

La relation de Titius-Bode connaît un réel succès dans la communauté des astronomes de la fin du xviiie siècle, car elle « mathématise » ce qui était jusque-là considéré comme un processus aléatoire. Elle complète ainsi les analogies orbitales des différents corps du système solaire : coïncidence du plan des orbites planétaires avec l'équateur solaire (à 70 près), révolution dans le même sens et orbites presque circulaires. Toute règle souffrant une exception, Uranus est, par l'inclinaison de son axe, quasi couchée sur l'écliptique. Cela peut résulter de la collision de la planète avec un corps dont la masse n'aurait pas excédé le quinzième de la masse de la Terre, bien plus volumineux cependant qu'une comète ou un astéroïde. Pour les astronomes contemporains, spécialisés dans les domaines de la mécanique céleste et de la cosmogonie, cette distribution des distances planétaires serait vraisemblablement liée au mode de formation des composantes du système solaire par des processus d'accrétion de matière dans une masse gazeuse originelle. L'analyse des systèmes extrasolaires à composantes planétaires multiples permettra de confronter cette relation afin de vérifier s'il s'agit, ou non, d'un artefact.

Si l'on excepte la distance des planètes au Soleil, leur répartition en fonction du diamètre échappe à une loi harmonique évidente. Les « gros » corps, de Jupiter à Neptune, sont distribués suivant un ordre au sujet duquel les astronomes vont émettre bien des hypothèses.

Étudiées du point de vue mathématique par James Clerk Maxwell (1859), Jacques Babinet, Édouard Roche (1875), Hervé Faye (1885), Henri Poincaré (1911), James Jeans (1930), la relation de Titius-Bode et les idées originales de Laplace en matière de cosmogonie ne se révèlent pas totalement exemptes de faiblesses. Cependant, même si aucun scénario de formation du système solaire n'est totalement satisfaisant aujourd'hui, le modèle de la nébuleuse protosolaire de Laplace reste l'hypothèse cosmogonique la plus plausible. Cette théorie, vieille de plus de deux siècles, a pu être rajeunie.

Les contributions de Jeans et de Spitzer

Les effets de marée provoqués par le rapprochement de deux étoiles constituent une autre approche des hypothèses cosmogoniques. La déformation de deux astres sous l'action des forces de marée serait suivie de l'abandon d'un filament de matière stellaire qui, en se scindant, aurait donné naissance aux planètes. L'astronome anglais Alexander William Bickerton (1842-1929) est le premier, en 1881, à présenter une théorie de la genèse des planètes par effet de marée. James Jeans (1877-1946) propose en 1901, puis en 1916, un modèle cosmogonique élaboré qui s'efforce de rendre compte des particularités du système solaire. La figure 1 illustre cette histoire de la formation du système solaire d'après James Jeans : un filament gazeux en forme de cigare supposé avoir donné naissance aux planètes.

Formation du système solaire selon James Jeans

Dessin : Formation du système solaire selon James Jeans

La formation du système solaire selon James Jeans. Les planètes sont supposées être nées d' un filament gazeux en forme de cigare. Au cours des étapes 1 à 6, le « cigare » se scinde par instabilité gravitationnelle en planètes et en leurs satellites. 

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La théorie de Jeans s'efforce également de fournir une explication à l'origine d'une autre famille de corps astronomiques, les satellites des planètes. Le Soleil joue cette fois le rôle de perturbateur et extrait des planètes qui s'aventurent dans son voisinage, lors du passage à leur périhélie, des filaments de matière qui, par instabilité gravitationnelle, se scinderont à leur tour en globules, précurseurs des satellites. Le fait que, pour les satellites de Saturne et, à un degré moindre, pour ceux de Jupiter, les masses vont croissantes, atteignent un maximum puis diminuent quand la distance à la planète augmente, est considéré par Jeans comme une confirmation de la validité de son hypothèse.

Pour attrayante qu'elle soit, la théorie de Jeans n'échappe cependant pas à la critique. Outre la faible probabilité d'une approche stellaire au Soleil capable d'extraire en une seule fois la totalité de la matière constituant les planètes, une très sérieuse objection à l'encontre de ce mécanisme est formulée en 1939 par Lyman Spitzer (1914-1997). Fondés sur les théories relatives à la structure interne des étoiles, les travaux de Spitzer tendent en effet à démontrer que l'importante masse gazeuse extirpée – par effets de marée – des couches stellaires profondes où règne nécessairement une température fort élevée, loin de se condenser en corps planétaires, va bien au contraire se dissiper – sitôt abandonnée la surface de l'étoile perturbée – pour constituer autour de celle-ci une enveloppe ténue extrêmement étendue. Difficile à réfuter, cette objection sonne le glas de la théorie des marées.

Ainsi, en dépit de la sagacité des cosmogonistes, le problème de la formation d'un cortège planétaire autour d'une étoile ne recevait toujours pas de solution universelle satisfaisante.

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Distances des planètes au Soleil et loi de Titius-Bode

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Principales étapes de la formation des planètes par accrétion

Principales étapes de la formation des planètes par accrétion
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Écrit par :

  • : ingénieur de recherche au C.N.R.S., astrophysicien à l'Observatoire de Meudon

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Pour citer l’article

Dominique PROUST, « PLANÉTAIRES SYSTÈMES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 27 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/systemes-planetaires/