Le blog de cepheides

Publié le 19 Novembre 2014 par cepheides

Publié dans : #astronomie

DE L'ASTRONOMIE : la formation des planètes

Dans le domaine de la science, il est incontestablement peu de certitudes définitives. Toutefois, depuis des années, la communauté scientifique était tombée à peu près d’accord sur la façon dont se forment les planètes dans un système stellaire mais il est vrai que le seul exemple que nous avions pour référence était le nôtre, le système solaire. Puis, au début des années 1990 fit irruption l’exoplanétologie, c'est-à-dire la science s’occupant des planètes situées en dehors du système solaire et que nous n’avions jusque là pas la possibilité d’étudier directement…

Très vite on s’aperçut que les observations ne collaient pas tout à fait avec les théories élaborées ici-bas. Tout d’abord, on mit en évidence des planètes géantes gazeuses toutes proches, dès leur formation, de leur étoile centrale. Bizarre car contraire aux suppositions des théoriciens ! Ensuite, il y a quelques mois, était découverte une planète géante tellurique (c'est-à-dire composée de roches comme la Terre) mais dix-sept fois plus massive que notre planète, ce que les modèles théoriques supposaient hautement improbable. Étrange encore. Et puis, il y a quelques jours, le radiotélescope européen ALMA, basé au Chili, nous a produit l’extraordinaire photo d’une étoile en formation, encore enrobée par la gangue de sa nébuleuse de gaz mais où, déjà, les futures planètes sont parfaitement individualisables ce que les spécialistes pensaient théoriquement impossible. Pourtant, une photographie, c’est bien une preuve directe, n’est-ce pas ? Là, ça commence à faire beaucoup et on peut se poser ces questions : que savons-nous au juste de la formation des planètes ? Le modèle du système solaire n’est-il qu’une option parmi d’autres ou n’y avons-nous peut-être rien compris ? Cherchons à y voir un peu plus clair.

Formation du système stellaire

Depuis le début de l’époque moderne, les observateurs de notre système solaire sont partis de la notion en apparence logique que les étoiles se forment toutes de la même manière et qu’il suffit d’appréhender la formation de la nôtre et de son cortège de planètes pour comprendre la genèse de toutes les autres. On trouvera dans un sujet dédié (origine du système solaire) l’historique de la pensée scientifique sur ce sujet qui correspond en fait à des siècles de controverses. Essayons quant à nous de résumer la théorie la plus partagée par le monde de l’astronomie d’aujourd’hui.

Au commencement, il y a fort longtemps (environ 10 milliards d’années), ce qui sera le futur système solaire n’est qu’une minuscule partie d’un immense nuage de gaz, essentiellement composé d’hydrogène et d’hélium, qui tourne en périphérie de la Galaxie, plutôt loin du centre. Mais, au fur et à mesure que le temps passe, le nuage de gaz va se contracter progressivement tandis qu’il s’enrichit en éléments lourds (fer, carbone, etc.) apportés par les explosions d’étoiles massives voisines (certains composants particuliers laissent même supposer qu’une supernova aurait explosé à proximité à cette même époque). Aujourd’hui, ces éléments lourds représentent environ 2% de l’ensemble.

Cette contraction va durer plusieurs milliards d’années jusqu’à ce que, il y a 4,6 milliards d’années, le nuage finisse par s’effondrer sur lui-même en raison de sa propre gravité devenue trop importante. De ce fait, le nuage se fragmente en une série de nuages plus petits dont l’un deviendra le système solaire : on parle alors de protosystèmes.

Le protosystème (celui du futur Soleil mais c’est pareil pour les autres) voit donc sa taille diminuer mais, selon la physique classique, qui dit réduction de taille dit augmentation de la vitesse de rotation (on appelle cela la conservation du mouvement angulaire) : c’est un peu comme le patineur tournant sur lui-même qui accélère sa vitesse de rotation en repliant ses bras. De plus, puisque ce protosystème est principalement composé de gaz concentré, il est encore souple et il peut donc s’aplatir dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation : tout est en place pour que naisse le disque protostellaire.

Apparaissent également des forces électromagnétiques qui créent une sorte de liaison entre le centre du disque (qui sera la future étoile) et le reste (où apparaitront les planètes) : de ce fait, le centre va être progressivement freiné tandis que le reste du disque accélère sa vitesse. Au bout d’un certain temps, les deux systèmes se trouvent séparés et

1. la protoétoile poursuit sa contraction jusqu’à ce que, sa température augmentant fortement, la fusion nucléaire s’enclenche et qu’elle devienne une véritable étoile tandis que

2. le reste du disque protoplanétaire conduit à la formation des planètes.

Formation des planètes

Le disque protoplanétaire tourne donc autour de la future étoile : peu à peu, au gré du temps et des rencontres, ses atomes commencent à s’agréger les uns aux autres pour former des poussières (les flocules) qui, elles aussi, vont finir par se réunir afin de former des corps plus volumineux appelés des planétésimaux. Le disque protoplanétaire est donc devenu un disque d’accrétion…

Quelques millions d’années s’écoulent et voici que nos planétésimaux, grâce aux turbulences du disque, fusionnent progressivement pour donner des objets de plus en plus gros aboutissant aux planètes que nous connaissons : dans le cas du système solaire, il aura fallu environ 200 millions d’années pour aboutir à cette situation. Il est à noter que, dans ce modèle, en raison du temps nécessaire, les planètes n’apparaissent qu’une fois enclenchées les réactions de fusion nucléaire de l’étoile, c'est-à-dire une fois que celle-ci est allumée, les planètes se créant secondairement en utilisant les gaz laissés disponibles…

Les planètes sont à peu près constituées mais elles n’ont pas encore leur aspect définitif car de nombreux remaniements ont encore lieu : internes avec un magma qui se solidifie en surface et des éruptions volcaniques qui diminuent d’intensité mais également externes puisqu’elles sont soumises à d’intenses bombardements, tous événements qui vont encore durer un bon milliard d’années.

Dans ce modèle classique, l’aspect définitif des planètes va dépendre de leur place initiale au sein de l’anneau protoplanétaire. Près de l’étoile, ici le Soleil, elles voient leurs éléments légers recevoir beaucoup d’énergie (ce qui empêche ceux-ci de se condenser) et, par voie de conséquence, le matériau qui va constituer ces planètes sera riche en éléments lourds (silicium, soufre, cuivre, fer, etc.) : ces objets seront donc de densité élevée et formeront les planètes dites telluriques comme la Terre.

En revanche, plus éloignées de l’étoile, s’il existe bien chez ces planètes un noyau dur, c’est essentiellement du gaz (hydrogène) qui va l’envelopper : de ce fait, les planètes dites gazeuses seront très légères mais beaucoup plus grosses que les telluriques. Puisque le gaz disponible n’a qu’une durée de vie limitée à quelques millions d’années, il est nécessaire que ces planètes soient créées avant sa dissipation, donc assez rapidement (en termes géologiques).

Selon ce modèle quasi-universellement accepté, on peut donc retenir quelques grands critères concernant la formation des planètes :

. d’abord les planètes se forment dans le disque protoplanétaire alors que la protoétoile s’est déjà « allumée » ;

. ensuite, les planètes proches de l’étoile sont toutes des planètes « telluriques », c'est-à-dire composées de roches et donc de petite taille, tandis que les étoiles gazeuses sont forcément des géantes installées en périphérie du système stellaire, loin du foyer central ;

. enfin, puisque les planètes se forment dans un disque qui tourne avec l’étoile centrale, elles tourneront donc également toutes dans le même sens.

Et c’est bien ce que l’on remarque avec le système solaire : les petites planètes telluriques (Mercure, Vénus, Terre, Mars) sont « intérieures », relativement proches du Soleil tandis que les géantes gazeuses (Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune) sont bien en périphérie. Par ailleurs, toutes les planètes sont situées dans ce que l’on appelle l’écliptique, ce « plan circulaire » autour du Soleil qui correspond à l’ancien disque protoplanétaire. Plus encore, leurs orbites sont elliptiques (à l’exception de Mercure, trop proche de l’étoile). Enfin, nos huit planètes tournent toutes dans le même sens.

Du coup, tout est parfait dans le meilleur des mondes et tout le monde est content ? C’était compter sans l’avancée de l’astronomie moderne ! A présent, depuis les années 1990, on peut observer directement les planètes d’autres systèmes stellaires car ces planètes qui n’étaient que des suppositions - ce qui valut à Giordano Bruno de mourir sur le bûcher - existent bel et bien et elles sont certainement plus nombreuses que les étoiles qu’on compte déjà par milliards… Et on commence à pouvoir les observer !

Et c’est là que le bât blesse : les observations de planètes extrasolaires nous montrent des situations qui ne « collent pas » complètement au modèle que nous venons de voir. Comprenons-nous bien : il n’est pas question de rejeter l’ensemble de la théorie qui reste certainement valable mais il faut bien admettre qu’elle n’explique pas tout.

Faut-il revoir la théorie ?

Presque deux milliers d’exoplanètes ont été découvertes à ce jour et ce chiffre augmente sans cesse. Certains de ces astres ont pu être assez finement étudiés et le moins que l’on puisse dire, c’est que plusieurs aspects de la théorie de la formation planétaire que nous venons de voir ont besoin d’un bon nettoyage. Citons quelques unes des principales pierres d’achoppement de notre approche théorique.

Les Jupiter chauds. On appelle ainsi les planètes géantes gazeuses repérées tout contre leurs étoiles. C’est le cas, par exemple, de la planète HD 209458 b, également surnommée Osiris, située à 154 années-lumière de la Terre : ce « Jupiter chaud » tourne tout contre son étoile (il en est 8 fois plus proche que Mercure ne l’est du Soleil). L’année sur Osiris ne dure que 3,5 jours et sa température de surface est estimée à plus de 1000°. Comment cela est-il possible alors que, selon la théorie, une géante gazeuse ne peut naître que loin de son astre central ? Eh bien, disent les spécialistes, c’est qu’un Jupiter chaud comme Osiris est bien né loin de l’étoile mais s’en est ensuite rapproché par ce qu’on appelle une « migration planétaire ». Du coup, on peut expliquer la période orbitale ultracourte de ce type de planètes (3 à 4j contre une année sur Terre). La réponse est-elle satisfaisante ? Non. En 2004, on découvre un Jupiter chaud ayant une période orbitale de UN jour (c'est-à-dire que la planète est « collée » contre son étoile) : comment la planète peut-elle résister à de telles conditions ? En 2008, une planète gazeuse 10 fois plus grosse que Jupiter est découverte toute proche de son étoile (TW Hydrae)… qui a moins de 10 millions d’années : l’étoile étant toute jeune, il est impossible de parler de migration de la planète gazeuse (elle n’aurait pas eu le temps de se faire). Et puis que dire de ces observations récentes qui montrent que, contrairement à ce qu’on attendait, plusieurs Jupiter chauds possèdent bien moins d’eau que ne le voudrait la théorie de leur formation et de leur migration ? Qu’il faut certainement retravailler la théorie et c’est bien ce que font les scientifiques.

La Terre géante. Découverte en 2011 par la mission Kepler de la NASA, la géante tellurique de ce système a été surnommée Godzilla tant ses dimensions sont impressionnantes : 2,3 fois le diamètre de la Terre et 17 fois sa masse ! Impossible qu’une telle planète puisse exister affirmaient les spécialistes et pourtant ! Elle tourne tout près d’une très ancienne étoile vieille de 11 milliards d’années (une naine jaune comme le Soleil) mais sa taille aurait dû en faire une géante gazeuse alors qu’elle est rocheuse (tellurique). Où se situe l’élément qui n’a pas été compris ? Là aussi, il y a bien du travail en perspective.

La formation de planètes autour d’une étoile double (GG-Tau-A). Il y a quelques années, un astronome très très célèbre déclarait à la télévision qu’il était impossible que des systèmes planétaires puissent se constituer autour d’étoiles binaires (doubles) et a fortiori multiples. Je l’entends encore : il était catégorique et affirmait en souriant benoîtement que les orbites desdites planètes seraient bien trop instables, les irrégularités de mouvement excessives, etc... Eh bien, raté ici aussi ! L’exoplanétologie a découvert que la majorité des étoiles multiples (les plus répandues dans l’Univers) possède des systèmes planétaires. Le système GG Tau-A, par exemple, est situé à 450 années-lumière de nous dans la constellation du Taureau. Il s’agit d’un tout jeune système en train de se former, un ensemble composé de trois étoiles dont une binaire (c'est-à-dire elle-même composée d’un système de deux étoiles tournant l’une autour de l’autre). Comme elles sont jeunes, on peut encore voir les disques d’accrétion gazeux qui les entourent et, surprise, il existe un grand mizar alcol disque autour de l’ensemble du système et des disques secondaires autour de chacune des étoiles, y compris la binaire : c’est là qu’est en train de se former tout un aréopage de planètes. D’ailleurs, on pense bien y avoir déjà mis en évidence une géante gazeuse. La théorie de formation des planètes n’était donc pas complète !

Le sens de rotation des planètes. C’était entendu une fois pour toutes : les planètes se forment dans le disque d’accrétion de la protoétoile, une fois celle-ci « allumée », et se mettent à tourner dans le même sens qu’elle. C’est d’ailleurs le cas du système solaire. Malheureusement, l’observation de systèmes exoplanétaires ne confirme pas la théorie. Il s’agit encore de Jupiter chauds (ils sont plus faciles à détecter et à observer…) qui ne suivent pas le modèle : ainsi sur 27 exoplanètes découvertes il y a quelque temps, six d’entre elles ont été détectées orbitant dans le sens contraire de celui de leur étoile. Comment expliquer ce paradoxe ? Une théorie alternative de migration a été avancée, expliquant que la « migration » de ces planètes ne dépendrait pas du disque de poussières de départ mais des forces gravitationnelles dues à des planètes plus lointaines, voire d’autres étoiles assez proches. Bref, on n’est absolument sûr de rien…

Le disque protoplanétaire de HL Tauri. Enfin, pour clore cette liste d’interrogations, signalons la plus récente de ces anomalies : la magnifique photo qui sert d’accroche à ce sujet est extraordinaire précisément parce qu’il s’agit d’une photographie, c'est-à-dire la réalité vraie et non pas un schéma reconstitué ou une « vue d’artiste » comme on en voit souvent en astronomie faute de mieux… Et que nous montre ce cliché ? Tout simplement un système planétaire en cours de formation avec un luxe de précision jusqu’ici inégalé. Le cliché a été pris par l’observatoire européen ALMA au Chili au mois de septembre dernier (2014) et concerne le système tout neuf HL Tauri qui, comme son nom l’indique, se trouve, lui aussi, dans la constellation du Taureau, mais à environ 450 années-lumière du Soleil. Cette étoile n’a qu’un million d’années d’existence (ce qui en fait un bébé étoile) et elle n’est pas visible à l’œil nu, de même qu’elle ne peut être correctement aperçue par les télescopes terriens voire le télescope spatial Hubble : elle est encore cachée au sein de la nébuleuse de gaz qui lui a donné naissance. Il fallait le radiotélescope d’ALMA qui observe le ciel dans les longueurs d’onde submillimétriques, c'est-à-dire celles qui concernent le rayonnement des poussières les plus froides de l’Univers, pour dégager une image réellement exploitable. On y voit donc au centre la protoétoile pas encore allumée et, autour d’elle, les cercles concentriques traduisant la formation déjà assez avancée des planètes. C’est une énorme surprise puisque, selon la théorie jusque là en vigueur, on pensait qu’il fallait plusieurs millions d’années pour que les planétésimaux s’assemblent pour former les planètes définitives. Cela peut paraître anecdotique mais ça ne l’est pas. En effet, si les planètes se forment après leur étoile, elles devront se contenter des gaz résiduels… s’il y en a. En revanche, si elles se forment en même temps, cela veut dire que toutes les étoiles sont potentiellement entourées de planètes… peut-être par dizaines. Or, souvenons-nous : il y a environ 250 milliards d’étoiles dans la seule Voie lactée (et des milliards de galaxie comme elle dans l’Univers). Cela veut probablement dire que le nombre de planètes dans notre Univers dépasse l’entendement humain… Et il n’y en aurait aucune autre qui ressemble à la Terre ? Je ne peux le croire et, de toute façon, c’est statistiquement impossible.

La théorie de la formation planétaire est à revoir

Comme le montrent les exemples « d’anomalies » théoriques et/ou réelles que nous venons d’énumérer, la formation des planètes dont nous pensions connaître l’essentiel est certainement à revoir, au moins en partie. Il faut absolument comprendre la place de ces planètes gazeuses géantes surnommées Jupiter chauds qui n’existent pas dans notre système solaire et, d’une façon plus générale, comment se distribuent les différentes planètes dans l’histoire de leur genèse. Disons que, pour l’instant, nous avons une approche plutôt globale de la question et qu’il reste bien des incertitudes à approfondir. D’ailleurs, il n’est pas dit que de futures observations, encore plus précises, ne nous apporteront pas de nouvelles interrogations.

En définitive, c’est bien cela la science : avancer à petits pas, tirer un enseignement général d’une foule d’observations plus ou moins disparates et ne pas hésiter à tout repenser face à la réalité de l’observation. Le dogmatisme ici ne peut déboucher sur rien de valable.

Sources

1. fr.wikipedia.org

2. www.techno-science.net/

3. Encyclopaedia Britannica

4. www.astronomes.com

5. www.redshift-live.com

6. www.futura-sciences.com

Images

1. l'étoile en formation HL Tauri (sources : www.eso.org/)

2. nébuleuse stellaire (sources : www.cnrs.fr)

3. disque protopla,étaire (sources : ast.obs-mip.fr)

4. planétésimaux (sources : irfu.cea.fr)