PLANÉTAIRES SYSTÈMES

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Le modèle d'accrétion

Accrétion par décélération rotatoire du Soleil

Aucun astrophysicien ne peut prétendre disposer d'un modèle évolutif couvrant 4,5 milliards d'années (l'âge estimé du système solaire), capable de rendre compte de toutes les propriétés mécaniques et physico-chimiques des planètes, de leurs satellites, des astéroïdes et des comètes, telles qu'elles sont connues aujourd'hui. Faute d'une approche globale, les astronomes sont contraints d'identifier un nombre minimal de faits observationnels majeurs auxquels ils tentent d'apporter en priorité une explication. La cosmogonie moderne repose sur l'emploi de techniques d'analyses théoriques ou de simulations numériques très sophistiquées sur ordinateur. Pour l'étude tant de la formation des grandes structures de l'Univers à l'aide de codes numériques utilisant des instabilités gravitationnelles que, plus localement, de la formation d'un système planétaire, la conjugaison des observations au télescope et des simulations a ouvert des horizons très prometteurs.

Pour certitude de départ, trois facteurs essentiels caractérisent le système solaire : d'abord, les orbites des planètes se situent au voisinage d'un plan qui coïncide avec l'équateur solaire à 70 près ; ensuite, toutes les planètes effectuent leur révolution dans le même sens ; enfin, ces orbites sont presque circulaires. Ces critères sont suffisamment pertinents pour que les cosmogonistes préfèrent aux hypothèses « catastrophiques », qui font naître les planètes de quelque accident (collision du Soleil avec un astre ou simples rapprochements avec effets de marée), les hypothèses « nébulaires », supposant l'existence d'une nébuleuse primitive. Même si des difficultés subsistent, la théorie de Laplace, moyennant quelques retouches, apparaît certainement comme la mieux adaptée pour interpréter les données de l'observation ; elle est aussi la plus acceptable dans la mesure où elle intègre le phénomène planétaire dans l'évolution stellaire, évitant ainsi de faire du système solaire un événement unique dans l'Univers.

Le respect des lois fondamentales de la physique constituant la règle de base de toute hypothèse cosmogonique, il faut expliquer certains effets particuliers, comme la lente rotation du Soleil sur lui-même, dont la période d'environ 27 jours est tout à fait incompatible avec la conservation du moment angulaire du système primitif (en mécanique mathématique, le moment angulaire d'une particule tournant autour d'un point fixe est défini comme le produit de trois quantités : la masse, la vitesse et la distance de la particule au point de rotation). Le recours à des processus physiques jusque-là ignorés par la théorie a permis aux cosmogonistes modernes de sortir de l'impasse. Il faut admettre pour cela que la nébuleuse de Laplace, traversée par les lignes de force du champ magnétique galactique, voit son évolution gouvernée par le jeu conjoint des forces gravitationnelles, centrifuges et magnétiques. En se contractant, la nébuleuse déforme la configuration du champ magnétique interstellaire local. Les lignes de force, entraînées dans cette contraction, engendrent une pression magnétique et couplent la nébuleuse au gaz interstellaire avoisinant, permettant l'évacuation graduelle de son énergie rotatoire et magnétique. La décélération rotatoire du Soleil va se poursuivre assez longtemps. À la première phase de ralentissement, résultant du couplage avec le champ magnétique extérieur, en succède une autre où le « vent solaire » prend la relève. Constitué de gaz ionisé que le Soleil éjecte de façon continue dans l'espace, ce vent transporte avec lui un champ magnétique qui exerce sur l'astre un couple ayant aussi pour effet d'en freiner la rotation. On estime que, au cours du milliard d'années qui a suivi sa naissance, le Soleil a ainsi vu sa vitesse de rotation décroître substantiellement, celle-ci passant vraisemblablement de quelques centaines de kilomètres à quelques kilomètres par seconde.

Contrairement à ce qu'on avait cru pendant presque deux siècles, le Soleil n'a pas transféré son moment angulaire aux seules planètes. Une objection fondamentale à l'encontre de la théorie de Laplace disparaît ainsi définitivement.

Une recherche pluridisciplinaire

Sans entrer dans des considérations trop complexes, signalons que les recherches qui sont menées dans des domaines aussi différents que la chimie du milieu interstellaire, la physique des comètes, la dynamique de la ceinture des astéroïdes, la structure des anneaux planétaires ou encore le décryptage du code isotopique des météorites tendent toutes à corroborer l'hypothèse cogénétique supposant que le Soleil et son cortège de planètes sont nés en même temps, à partir du même nuage de matière interstellaire.

Une augmentation de densité déclenchée par quelque phénomène violent, telle l'explosion d'une ou de plusieurs supernovae au voisinage de la nébulosité protostellaire avec passage d'une onde de choc, a sans doute provoqué la condensation du nuage et la coagulation de la poussière et du gaz qui le composent. Ainsi ont pu se constituer des corps appelés « planétésimaux », aux dimensions voisines de 100 kilomètres. Les collisions et agglomérations successives de ces planétésimaux au cours du temps conduisent immanquablement à la formation d'objets de plus en plus massifs d'où surgissent finalement les planètes telluriques (Mercure, Vénus, la Terre et Mars) et les noyaux des planètes gazeuses (Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune). Ce scénario, reproduit figure 2, est une version revue et corrigée de la théorie de Laplace ; il apparaît aujourd'hui comme le plus plausible pour expliquer la formation du système solaire. Il présente aussi l'immense avantage d'être un processus universel auquel aucune étoile ne devrait échapper, dès l'instant où le nuage de gaz initial a une masse suffisante.

Imaginer que chaque étoile puisse avoir son cortège de planètes est finalement une première étape satisfaisante pour l'exobiologiste optimiste. Comme la majorité des exoplanètes découvertes depuis 1995 se situent dans une sphère de quelques dizaines d'années-lumière de rayon autour du Soleil, l'étude de leur formation et de leur évolution permettra de vérifier la validité de ce modèle issu d'une supernova proche.

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Distances des planètes au Soleil et loi de Titius-Bode

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Formation du système solaire selon James Jeans

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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 29 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/systemes-planetaires/