Comment nos planètes se sont formées

Mercure, Vénus, la Terre et Mars, dans le système solaire interne, sont des planètes relativement petites et sèches, contrairement à Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune, plus loin, qui contiennent beaucoup plus d'éléments volatils. " Ces dernières années, nous avons en outre découvert une autre différence notable entre le système solaire interne et le système solaire externe ", explique Maria Schönbächler, professeure à l'Institut de géochimie et de pétrologie de l'ETH Zurich : " Les météorites ont une 'empreinte digitale' différente selon qu'elles proviennent du système solaire interne ou externe."Leur teneur en isotopes diffère selon leur origine. Les isotopes sont différents types d'atomes d'un élément qui possèdent dans leur noyau le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons.

L'explication précédente des différences de composition chimique entre les planètes et les météorites : Lorsque le système solaire s'est formé à partir d'un disque de gaz et de poussière, il y a 4,5 milliards d'années, la première planète à être née fut Jupiter. Elle a divisé le disque en un système interne et externe et a bloqué l'échange de matière entre les deux parties.

"En collaboration entre chercheurs de différents domaines, nous avons développé un nouveau modèle de formation des planètes : Il fournit une explication alternative des différences isotopiques ; pour l'instant, nous n'avons pas besoin de Jupiter pour cela", explique Schönbächler. L'idée de cette nouvelle théorie est née d'une collaboration entre des chercheurs de l'ETH et de l'Université de Zurich dans le cadre du Pôle de recherche national PlanetS, dont la cosmochimiste fait partie. L'équipe internationale publie maintenant son travail dans la revue "Science".

Deux vagues d'émergence à des moments différents

"Grâce à des simulations informatiques, nous avons calculé ce qui aurait pu se passer dans le système solaire primitif", explique Tim Lichtenberg de l'Université d'Oxford, premier auteur de l'étude et ancien membre du Pôle de recherche national PlanetS.

Selon les simulations, le système solaire interne et le système solaire externe se sont formés en deux vagues distinctes à deux moments différents. Extrêmement tôt, alors que le disque initial de gaz et de poussière ainsi que le Soleil lui-même étaient encore en formation, les premiers éléments constitutifs des planètes se sont formés dans le système solaire interne - des blocs d'environ 100 kilomètres de diamètre, appelés planétésimaux par les spécialistes. La "ligne de neige", qui s'étendait à une certaine distance autour du très jeune Soleil, a joué un rôle important dans ce processus. A l'intérieur de cette limite, l'eau se présentait sous forme de vapeur d'eau. A l'extérieur, des cristaux de glace se formaient. Là, une partie de la vapeur d'eau s'est condensée sur des grains de poussière qui se sont agglomérés et ont ainsi formé les premiers planétésimaux.

"Ceux-ci étaient extrêmement riches en eau", explique Lichtenberg : "C'est d'abord étrange, car la Terre devrait ainsi contenir nettement plus d'eau et ressembler aujourd'hui plutôt à une comète". Mais la nouvelle théorie a également une explication à cela : le disque de poussière contenait l'isotope radioactif aluminium-26. Les éléments constitutifs de la planète ont hérité de ce matériau qui se désintègre avec une demi-vie de 700'000 ans et dégage ainsi beaucoup d'énergie - suffisamment pour chauffer et faire fondre les planétésimaux de l'intérieur. Des noyaux de fer se sont formés et l'eau ainsi que d'autres éléments volatils se sont évaporés.

La ligne de neige se déplace vers l'extérieur

"Après la formation des premiers planétésimaux dans le système solaire interne, il ne se passe plus rien dans notre modèle pendant environ un demi-million d'années", explique Lichtenberg. Puis une deuxième vague de formation de planétésimaux se produit - cette fois dans le système solaire externe. Entre-temps, la ligne de neige s'est déplacée vers l'extérieur, car le disque de gaz et de poussière s'est réchauffé. Les particules de poussière qui se déplacent en direction du Soleil sont arrêtées par la nouvelle ligne de neige. Les chercheurs parlent de "Traffic jam" (embouteillage). Cela entraîne la formation de nouveaux planétésimaux. "La formation des planètes dans le système solaire externe a commencé plus tard, mais s'est terminée nettement plus rapidement ; les planètes internes ont mis beaucoup plus de temps", explique Lichtenberg. Comme le deuxième processus a démarré plus tard, une grande partie de l'aluminium-26 radioactif s'était déjà désintégrée et moins d'éléments volatils ont été vaporisés. En conséquence, les géantes de gaz et de glace comme Jupiter ou Uranus se sont formées là-bas.

Nouvelle combinaison de données actuelles

"Notre modèle apporte également un nouvel éclairage sur la poursuite de la croissance des planétésimaux initiaux dans les systèmes solaires internes, jusqu'à ce qu'ils donnent naissance à des planètes rocheuses comme notre Terre", explique Maria Schönbächler. Selon le modèle, les collisions entre planétésimaux ont d'abord dominé. Ensuite, il y a eu une phase au cours de laquelle ces corps ont accumulé des grains de poussière en raison de leur gravité. Les spécialistes appellent ce processus "accrétion de galets". Des collisions s'ensuivirent à nouveau, jusqu'à ce que la Terre entre en collision avec le dernier gros morceau à la fin du processus de formation. Lors de cette collision, de la masse a été éjectée de la Terre primitive, à partir de laquelle la Lune s'est formée. Les simulations montrent également comment les planètes se sont rapprochées du Soleil au cours de leur formation jusqu'à ce qu'elles atteignent leur orbite actuelle.

"Dans notre étude, nous proposons un scénario global qui reproduit la composition et l'histoire de la formation du système solaire", explique Tim Lichtenberg. En fait, les calculs informatiques reflètent les données d'analyses de météorites et d'observations astronomiques. "Cette combinaison de données actuelles sur les météorites et de modèles d'évolution est nouvelle", résume Maria Schönbächler, enthousiaste "de voir à quel point tout s'accorde".