Réinventer la formation du Système solaire

Le Soleil… Âgé d’environ 4,6 milliards d’années, il a parcouru la moitié de sa vie. Et s’il est peut-être un peu plus calme que la moyenne des astres du même type, il n’a rien de très exceptionnel. Ses planètes, en revanche, racontent une tout autre histoire.

D’abord, Mercure ressemble plutôt aux entrailles carbonisées d’une planète qu’à une planète à part entière. De multiples indices laissent penser qu’elle a été dépouillée de ses couches externes lors d’une violente collision. Ensuite, Vénus et la Terre. Jumelles à bien des égards, elles partagent de nombreuses caractéristiques, mais l’une est devenue fertile et l’autre est une fournaise aux conditions extrêmes. Puis, Mars est aussi un petit monde qui, contrairement à Mercure, n’a pas perdu ses couches externes. Cette planète a simplement vu sa croissance s’interrompre au cours de son histoire. Après Mars, nous avons un large anneau d’astéroïdes, et puis, au-delà, les choses changent radicalement. Jupiter contient l’essentiel du surplus de gaz laissé par le Soleil après sa formation. Cette planète est si grande qu’elle a presque atteint la taille nécessaire pour produire sa propre énergie, comme une étoile. Enfin, trois autres mondes énormes et froids composés de gaz et de glace – Saturne, Uranus et Neptune. Les quatre géantes gazeuses n’ont presque rien en commun avec les quatre planètes rocheuses, bien qu’elles se soient formées à peu près au même moment, à partir de la même matière et autour de la même étoile. Les huit planètes du Système solaire constituent une énigme. Pourquoi celles-ci ?

Depuis quelques années, les astronomes ont porté leur regard au-delà du Système solaire. Ils ont repéré des milliers de systèmes avec leurs étoiles et leurs cortèges de planètes. Cependant, ils n’en ont trouvé aucun qui ressemble, de près ou de loin, au nôtre. L’énigme se complique. Pourquoi ces planètes-ci d’un côté, pourquoi celles-là ailleurs ?

Le catalogue de planètes extrasolaires qui ne cesse de s’étoffer, les observations de pouponnières lointaines et poussiéreuses où naissent les étoiles et leurs planètes et les indices récents récoltés au sein même du Système solaire sont autant de sources d’information qui ne s’accordent pas avec les théories classiques sur la formation des planètes. Les spécialistes sont contraints d’abandonner des modèles vieux de plusieurs dizaines d’années qui reposaient sur un scénario décrivant de façon unique la formation de toutes les planètes autour de toutes les étoiles. « Les lois de la physique sont les mêmes partout, mais le processus de construction des planètes est si complexe que le système en devient chaotique », explique Alessandro Morbidelli, astronome à l’observatoire de la Côte d’Azur, à Nice, et figure de proue des théories sur la formation et la migration des planètes.

Mais loin d’aboutir à une impasse, ce constat est un terreau fertile pour des idées inédites. Au milieu du chaos de la construction du monde, de nouveaux modèles ont émergé. Les chercheurs progressent dans leur compréhension des processus qui conduisent les poussières et les cailloux à s’assembler, les planètes à migrer, etc. Mais de nombreuses inconnues subsistent et ces questions suscitent de vifs débats pour déterminer quand les grandes étapes de la constitution du Système solaire se sont produites et quels facteurs décident du destin d’une planète naissante.

La naissance d’une étoile et de son cortège

Les chercheurs connaissent les grandes lignes des origines du Système solaire depuis près de trois cents ans. Le philosophe allemand Emmanuel Kant, qui, comme de nombreux penseurs du siècle des Lumières, s’est intéressé à l’astronomie, a publié en 1755 une théorie qui reste à peu près exacte. Il supposait ainsi que « tous les matériaux dont se composent les sphères, planètes et comètes, qui appartiennent à notre monde solaire, décomposés à l’origine des choses en leurs éléments primitifs, ont rempli alors l’espace entier dans lequel circulent aujourd’hui ces astres ».

En effet, nous sommes issus d’un nuage diffus de gaz et de poussières. Il y a 4,6 milliards d’années, probablement sous l’impulsion d’une étoile de passage ou de l’onde de choc d’une supernova, le nuage s’est effondré sous l’effet de sa propre gravité pour former une nouvelle étoile, le Soleil. C’est la façon dont les choses se sont déroulées par la suite que nous ne comprenons pas encore avec précision.

Une fois que les réactions de fusion se sont allumées au cœur du Soleil, le surplus de gaz a tourbillonné autour de l’astre et a donné naissance aux planètes. Le modèle classique qui expliquait ce phénomène, connu sous le nom de « nébuleuse solaire de masse minimale », envisageait un « disque protoplanétaire » contenant juste assez d’hydrogène, d’hélium et d’éléments plus lourds pour former les planètes et les ceintures d’astéroïdes observées. Ce modèle, qui date de 1977, supposait que les planètes se sont assemblées là où nous les voyons aujourd’hui, à partir de petits « planétésimaux » qui ont incorporé toute la matière de leur région.

« Le modèle faisait l’hypothèse que le disque solaire était rempli de planétésimaux, indique Joanna Drążkowska, de l’université Ludwig-Maximilian de Munich. Les gens n’envisageaient pas d’objets plus petits – pas de poussières, pas de cailloux. »

Les astronomes suggéraient que les planétésimaux étaient nés de l’accumulation de grains de poussières, poussés par le gaz, de la même façon que le vent sculpte les dunes de sable. Dans ce modèle, les planétésimaux étaient éparpillés au hasard dans la nébuleuse solaire, et leur taille suivait une distribution statistique que les physiciens appellent une « loi de puissance », ce qui signifie qu’il y a plus de petits objets que de gros. « Il y a encore quelques années à peine, tout le monde supposait que les planétésimaux étaient répartis suivant ce modèle, raconte Alessandro Morbidelli, mais nous savons maintenant que ce n’est pas le cas. »

Le changement est venu grâce à un ensemble de télescopes dans le désert d’Atacama, au Chili. Le réseau Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) a été conçu pour détecter la lumière d’objets relativement froids de taille millimétrique, tels que les grains de poussières autour d’étoiles naissantes. Et depuis 2013, il enregistre des images de tels systèmes jeunes présentant des disques de gaz et de poussières aux structures étonnantes.

Auparavant, les astronomes imaginaient ces disques comme des halos assez homogènes qui devenaient plus diffus à mesure qu’ils s’étendaient vers l’extérieur, loin de l’étoile. Mais Alma a montré des disques avec des lacunes profondes et sombres (comme dans les anneaux de Saturne) probablement tracées par les planètes en formation, ou avec des arcs et des filaments, ou encore contenant des spirales, comme des galaxies miniatures. « Alma a complètement changé la donne », conclut David Nesvorný, astronome à l’Institut de recherche du Sud-Ouest, à Boulder, aux États-Unis.

Les observations d’Alma ont permis de réfuter le modèle classique de développement des planètes. « Nous devons maintenant réfléchir à des modèles totalement différents », souligne Joanna Drążkowska. Les données ont montré que, plutôt que d’être dispersée de manière régulière dans le disque, la poussière s’accumule à des endroits particuliers, et c’est là que se forment les premiers embryons de planètes. Certaines poussières, par exemple, s’agglutinent probablement à la « ligne des glaces », c’est-à-dire à la distance de l’étoile où l’eau gèle. En avril 2022, Alessandro Morbidelli et Konstantin Batygin, astronome à Caltech (l’institut de technologie de Californie), ont proposé que la poussière s’agglomère aussi sur la ligne de condensation où les silicates forment des gouttelettes et non plus de la vapeur. Ces « frontières » provoqueraient des « embouteillages » qui freinent la poussière tombant vers l’étoile, induisant son accumulation locale.

De la poussière aux planètes

Avant même qu’Alma ne montre où la poussière aime s’accumuler, les astronomes avaient du mal à comprendre comment la matière pouvait s’accréter assez vite pour former une planète, surtout une planète géante. Le gaz entourant le jeune Soleil se serait dissipé en 10 millions d’années environ. Jupiter a donc dû en recueillir la majeure partie dans ce laps de temps. Ce qui signifie que de la poussière a dû constituer le noyau de cette planète très peu de temps après l’allumage du Soleil. Mais comment ?

A priori, les turbulences, la pression du gaz, la chaleur, les champs magnétiques et d’autres facteurs tendraient à empêcher la formation de paquets de poussières. En outre, tout gros amas serait probablement attiré vers le Soleil par la gravité. Les planétologues se penchent sur ce problème depuis le début des années 2000.

En 2005, Andrew Youdin et Jeremy Goodman, alors à l’université Princeton, ont publié une théorie sur les amas de poussières qui a permis de trouver une partie de la solution. Selon eux, quelques années après son allumage, le Soleil a commencé à expulser un peu de matière à grande vitesse sous la forme d’un « vent solaire » qui s’est opposé au mouvement de la poussière qui tombait sur l’étoile, ce qui l’a forcée à se rassembler en amas. Au fur et à mesure que les tourbillons de poussières primordiaux devenaient plus gros et plus denses, ils ont fini par s’effondrer sous l’effet de leur propre gravité et par former des objets compacts. Cette idée, nommée « instabilité d’écoulement », est désormais un modèle largement accepté pour expliquer comment des grains de poussières millimétriques se transforment rapidement en gros rochers. Ce mécanisme produit des planétésimaux d’une centaine de kilomètres de diamètre, qui fusionnent ensuite les uns avec les autres lors de collisions.

Mais ce mécanisme ne suffit pas pour décrire la formation de mondes beaucoup plus grands, comme Jupiter. En 2012, Anders Johansen et Michiel Lambrechts, de l’université de Lund, en Suède, ont proposé une variante de la croissance des planètes nommée « accrétion de galets ». Grâce à leur idée, les embryons de planète de la taille de la planète naine Cérès, qui naissent de l’instabilité des flux de gaz, deviennent vite beaucoup plus gros. La gravité et les forces de traînée dans le disque circumstellaire attirent les grains de poussières et les cailloux en spirale sur ces objets, qui grandissent rapidement, comme une boule de neige qui dévale une pente.

L’accrétion des galets est aujourd’hui une théorie privilégiée pour expliquer la constitution du noyau des géantes gazeuses. Et de nombreux astronomes pensent qu’elle serait à l’œuvre dans les images d’Alma, autorisant ainsi les planètes géantes à se former au cours des quelques millions d’années suivant la naissance de leur étoile. Mais la pertinence de cette théorie pour les petites planètes telluriques proches du Soleil est controversée. En 2021, Anders Johansen, Michiel Lambrechts et leurs collègues ont montré comment des cailloux dérivant vers l’intérieur auraient alimenté la croissance de Vénus, de la Terre, de Mars et de Théia – un corps qui est entré en collision avec la Terre, et dont est née la Lune. Mais des problèmes subsistent. L’accrétion des galets ne suffit à elle seule à expliquer la formation des planètes rocheuses, il faut prendre en compte un autre processus vital, les impacts géants comme la collision Terre-Théia.

Alessandro Morbidelli rejette l’idée que les galets produisent des mondes rocheux, en partie parce que les échantillons géochimiques suggèrent que la Terre s’est formée sur une longue période. « C’est une question d’emplacement, souligne-t-il. Les processus en jeu diffèreraient selon leur environnement. »

Des articles de recherche paraissent presque chaque semaine sur les premiers stades de la croissance des planètes. De nombreuses questions restent à résoudre, et certaines particulièrement épineuses…

Des planètes en mouvement

Depuis quelques années, le nombre de planètes connues ne cesse d’augmenter à un rythme soutenu. Tout a commencé en 1995, lorsque Didier Queloz et Michel Mayor, de l’université de Genève, ont pointé un télescope vers une étoile semblable au Soleil, 51 Pegasi, et ont remarqué que son mouvement sur la voûte céleste oscillait. Ils en ont déduit qu’elle était tiraillée par une planète géante qui en faisait le tour en seulement quatre jours. Bien plus proche de son étoile que Mercure ne l’est de notre Soleil, cette planète gazeuse est brûlante. Et rapidement, d’autres de ces Jupiters chauds ont été observés en orbite autour d’autres étoiles.

La chasse aux exoplanètes a pris son envol en 2009 avec le télescope spatial Kepler. Nous savons maintenant que le cosmos est parsemé de planètes ; presque chaque étoile en possède au moins une, et probablement plus. Ces astres sont toutefois entourés de planètes exotiques absentes du Système solaire : des Jupiters chauds ainsi qu’une catégorie de mondes de taille moyenne, plus grands que la Terre mais plus petits que Neptune, surnommés de manière peu créative « super-Terre » ou « sub-Neptune ». Aucun système stellaire n’a été trouvé qui ressemble au nôtre, avec ses quatre petites planètes rocheuses près du Soleil et ses quatre géantes gazeuses en orbite lointaine. « Cette configuration semble être quelque chose d’unique à notre Système solaire, qui serait donc inhabituel », insiste Seth Jacobson, de l’université d’État du Michigan.

C’est là qu’intervient le « modèle de Nice », une idée qui unifierait des architectures planétaires radicalement différentes dans une même description. Dans les années 1970, l’analyse géochimique des roches recueillies par les astronautes des missions Apollo a suggéré que la Lune a été soumise à une pluie intense d’astéroïdes il y a 3,9 milliards d’années – un événement hypothétique connu sous le nom de « grand bombardement tardif ». En 2005, inspirés par ces indices, Alessandro Morbidelli et ses collègues de l’Observatoire, à Nice, ont soutenu que Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune ne se sont pas formées à leur emplacement actuel, comme l’indiquait le premier modèle de nébuleuse solaire, mais se sont déplacées il y a environ 3,9 milliards d’années. Selon le modèle de Nice, les planètes géantes ont radicalement changé d’orbite à cette époque, ce qui a propulsé une vague d’astéroïdes vers les planètes intérieures.

Si les preuves du grand bombardement tardif ne sont plus considérées comme aussi convaincantes, le modèle de Nice, lui, est resté. Alessandro Morbidelli, David Nesvorný et d’autres chercheurs pensent aujourd’hui que les géantes ont probablement migré encore plus tôt dans leur histoire, et que – dans un modèle nommé le « Grand Tack » – la gravité de Saturne aurait empêché Jupiter de se déplacer trop près du Soleil, là où l’on trouve souvent des Jupiters chauds.

En d’autres termes, il se pourrait que nous ayons eu de la chance dans le Système solaire avec plusieurs planètes géantes se tenant mutuellement en échec, de sorte qu’aucune n’a basculé vers le Soleil, en détruisant au passage les planètes rocheuses.

« Si rien ne venait interrompre ce processus de migration, nous nous retrouverions avec des planètes géantes très proches de leur étoile hôte, précise Jonathan Lunine, astronome à l’université Cornell. La migration vers l’intérieur est-elle vraiment inévitable avec la croissance d’une planète géante isolée ? Quelles sont les combinaisons de planètes géantes qui mettent fin à cette migration ? C’est autant de questions sans réponses. »

Il y a aussi, selon Alessandro Morbidelli, « un débat féroce » sur quand cette migration des planètes géantes s’est effectuée et même sur la possibilité que ce mouvement ait, en fait, aidé à la croissance des planètes telluriques plutôt que de les menacer de destruction.

De nombreux chercheurs pensent désormais que les planètes géantes et leurs migrations auraient exercé une influence considérable sur le destin de leurs congénères rocheuses dans le Système solaire, mais aussi ailleurs. Les mondes de la taille de Jupiter aideraient ainsi à déplacer les astéroïdes ou à limiter le nombre de mondes rocheux qui se forment. C’est l’une des principales hypothèses pour expliquer la petite taille de Mars. Si l’influence gravitationnelle de Jupiter n’avait pas interrompu l’apport de matière, cette planète aurait grandi, peut-être jusqu’à atteindre la taille de la Terre.

Autour des étoiles étudiées par le télescope Kepler, on trouve fréquemment des super-Terres en orbite proche. Une question divise les scientifiques : une super-Terre a-t-elle plus ou moins de chance d’être accompagnée de planètes géantes gazeuses sur des orbites plus éloignées ? Jusqu’à présent, diverses équipes ont mis en évidence aussi bien des corrélations que des anticorrélations entre ces deux types d’exoplanètes, note Rachel Fernandes, à l’université de l’Arizona. Cette contradiction indique qu’il n’y a pas encore assez de données pour arriver à une conclusion fiable.

Planètes rebondissantes

En avril 2022, Seth Jacobson a proposé un nouveau modèle qui change radicalement le moment de la migration du modèle de Nice. Avec Beibei Liu, de l’université du Zhejiang, en Chine, et Sean Raymond, de l’université de Bordeaux, ils ont soutenu que la dynamique des flux gazeux aurait provoqué la migration des planètes géantes quelques millions d’années seulement après leur formation – 100 fois plus tôt que dans le modèle de Nice original et probablement même avant la naissance de la Terre.

Dans ce nouveau modèle, les planètes ont « rebondi », se déplaçant vers l’intérieur, puis vers l’extérieur quand le Soleil a réchauffé le gaz du disque et l’a soufflé hors du système. Ce rebond s’explique par le fait que, lorsqu’une jeune planète géante est baignée dans un disque de gaz chaud, elle ressent une attraction due au gaz dense plus proche de l’étoile et une autre liée au gaz plus éloigné. L’attraction vers l’intérieur étant plus forte, la jeune planète se rapproche progressivement de son étoile. Mais alors que le gaz commence à s’évaporer, quelques millions d’années après la naissance de l’étoile, l’équilibre change. Il reste davantage de gaz à l’extérieur de l’orbite de la planète, et la planète est entraînée loin de l’étoile.

Ce rebond « perturbe drastiquement tout le système et déstabilise un très bel arrangement, déclare Seth Jacobson. Mais ce scénario explique très bien les caractéristiques des planètes géantes en termes d’inclinaison et d’excentricité ». Ce modèle serait aussi en accord avec les indices qui suggèrent que les Jupiters chauds observés dans d’autres systèmes stellaires seraient sur des orbites instables – peut-être destinés à un rebond.

Entre lignes de condensation, galets, migrations et rebonds, une histoire complexe se dessine. Pourtant, pour l’instant, certaines réponses nous échappent encore. La plupart des observatoires qui traquent les exoplanètes utilisent des méthodes qui repèrent plus facilement les planètes qui évoluent très près de leur étoile hôte. Ce biais pourrait avoir une incidence sur les modèles. Jonathan Lunine souligne que l’astrométrie (la mesure des mouvements des étoiles dans l’espace) pourrait révéler des mondes en orbite lointaine. Mais c’est le télescope spatial Nancy-Grace-Roman, dont le lancement est prévu en 2027, qui l’enthousiasme le plus. Cet instrument réalisera des mesures de microlentillage, ce qui consiste à estimer comment la lumière d’une étoile d’arrière-plan est déviée par la gravité d’une étoile d’avant-plan et ses planètes. Il serait possible de repérer des planètes dont la distance orbitale se situe entre celle de la Terre et celle de Saturne, une région particulièrement intéressante pour tester les modèles.

Selon David Nesvorný, « il faudra plusieurs décennies pour comprendre tout cela en détail ». Konstantin Batygin compare le laborieux effort de rétro-ingénierie des planètes à la tentative de modélisation d’un animal, même simple. « Une fourmi est bien plus compliquée qu’une étoile. Vous pouvez parfaitement imaginer écrire un code qui capture une étoile dans ses moindres détails, alors que vous ne pourriez jamais modéliser la physique et la chimie d’une fourmi et espérer décrire le tout. Dans la formation des planètes, nous nous situons quelque part entre une fourmi et une étoile. »