DE L'ASTRONOMIE : origine du système solaire

     Situé en périphérie de la Voie lactée qui est une galaxie parmi des milliards d’autres, notre Soleil est une étoile banale de type G2, autrement dit une naine jaune. De telles étoiles représentent environ 10% de toutes celles de l’Univers et leur durée de vie est assez longue, environ 10 milliards d’années. Le Soleil est donc à peu près à la moitié de sa vie puisqu’il existe depuis environ 4,5 milliards d’années ce qui explique, au passage, qu’il se trouve sur la branche principale du diagramme de Hertzsprung-Russell (voir le sujet : mort d’une étoile). Mais comment s’est-il créé (et avec lui son cortège de planètes) ? C’est une question posée depuis la plus haute antiquité et qui, comme on l’imagine, a entraîné de multiples réponses… plus ou moins crédibles !

 Dans le passé

Longtemps traité de façon plutôt romanesque et presque toujours anthropocentrique (voir le sujet : la Terre centre du Monde), il faudra attendre la publication par Isaac Newton (1643-1727) de ses lois sur la gravitation universelle pour s’intéresser de façon plus convaincante au système solaire. Et encore : durant de nombreuses années par la suite, les polémiques furent âpres pour s’affranchir des préjugés et raisonner de façon plus scientifique…

C’est Emmanuel Kant (1724-1804), le célèbre philosophe allemand, qui, le premier, avança une théorie relativement moderne. Son idée centrale était que les débuts du système solaire se firent sous la forme d’un nuage de particules qui, régies par l’attraction gravitationnelle, finirent par s’agréger progressivement pour former des masses de plus en plus grosses aboutissant en fin de compte au Soleil et aux planètes que nous connaissons. Puisqu’il n’était ni physicien et encore moins mathématicien, il ne pouvait apporter d’explication sur le fait que les planètes – toutes situées dans un même plan – tournaient dans une même direction autour du Soleil. Il restait également muet sur les satellites de ces mêmes planètes.

Une quarantaine d’années plus tard le mathématicien français Laplace (1749-1827) apporta quelques approfondissements en imaginant que le Soleil, se refroidissant en rayonnant sa chaleur, avait fini par se contracter. Or, selon la loi de conservation du moment angulaire, cette contraction avait forcément dû s’accompagner d’une augmentation de sa vélocité, à la façon d’un patineur qui replie ses bras pour tourner plus vite sur lui-même. De ce fait, selon Laplace, cette accélération entraîna l’éjection de matière contrebalancée par les forces d’attraction gravitationnelle (avec la formation successive de plusieurs anneaux concentriques suivant la rétraction du Soleil naissant) et c’est à l’exacte distance où ces deux forces s’équilibraient que les planètes furent créées.  Il répondait ainsi au sens de rotation des planètes dans un même plan… mais pas aux déplacements excentriques des astéroïdes ni aux orbites rétrogrades de certains lunes.

Durant près de cent ans, cette théorie dite « de la nébuleuse solaire » de Kant-Laplace parut satisfaire les scientifiques mais au début du XXème siècle, elle fut finalement jugée insuffisante.

Conception classique

James Clerk Maxwell (1831-1879), physicien écossais de grand renom, fut le premier à critiquer la théorie de Kant-Laplace en démontrant que les planètes n’auraient pas pu être créées de cette façon en raison des forces de rotation différentielle qui l’auraient empêché. De plus, le mouvement angulaire du Soleil paraissait trop faible pour être en accord avec la théorie. On évoqua alors la présence d’une étoile voisine qui aurait attiré de grandes masses de matière (les planètes) en dehors de notre étoile par un « effet de marée » (théorie de la « quasi-collision ») mais cette hypothèse montrait également ses limites…

La théorie de la formation du système solaire fut donc repensée et affinée : on retint la notion de disque d’accrétion avec une matière se condensant progressivement pour donner le soleil, masse centrale suffisamment importante pour provoquer un « allumage nucléaire », et, à sa périphérie, des planétoïdes devenus secondairement de vraies planètes. Ces dernières se divisent en deux groupes :

*  les planètes telluriques (comme la Terre) attirant préférentiellement les matières rocheuses et proches du Soleil

* tandis que, plus éloignées, les planètes gazeuses se composent de gaz légers (hélium, hydrogène, etc.), le Soleil n’ayant pas pu les assimiler en raison de leur trop grande distance. La théorie précise même que si la quantité de gaz avait été plus importante, une autre étoile aurait pu voir le jour transformant le système solaire en un système binaire comme il en existe tant dans l’Univers (environ 50%).

Les planètes se sont évidemment transformées avec le temps mais pas les astéroïdes, circulant entre les orbites de Mars et Jupiter, qui demeurent des fragments de matière inchangés depuis la naissance du système d’où leur prodigieux intérêt scientifique.

Malheureusement, depuis quelques années, l’observation de planètes extrasolaires (voir le sujet : planètes extrasolaires) a permis la mise en évidence de planètes géantes gazeuses très proches de leurs étoiles. La théorie classique ne sait pas répondre à ce fait d’observation…

Plus récemment

Nous venons d’évoquer les météorites témoins de l’origine : c’est au sein de certains d’entre eux qu’a été mise en évidence, dans les années 70, la présence de magnésium 26. Or cet élément provient de l’aluminium 26, son précurseur, dont on sait que la demi-vie est plutôt courte, environ 700 000 ans. Comment cet élément a-t-il pu se trouver au début du système solaire quand on sait que le Soleil naissant avait une masse insuffisante pour le produire ? D’une provenance extérieure, bien sûr, avancèrent certains astronomes. Ils évoquèrent donc une supernova ayant explosé à proximité du nuage protosolaire au moment où ce dernier commençait à se condenser. Mais, à l’analyse, le scénario ne tient pas : en effet, en pareil cas, il aurait fallu que cette supernova explose très près (environ une année-lumière) et, dans ce cas, le nuage présolaire en formation aurait été dispersé par le rayonnement ultraviolet intense de l’étoile… Retour à la case départ.

Récemment, un astronome français, Vincent Tatischeff, a proposé une solution élégante en évoquant le rôle possible d’une « étoile vagabonde ». Nous avons déjà évoqué, dans un sujet précédent (voir le sujet : étoiles doubles et système multiples), ces étoiles fugueuses (ou étoiles en fuite) que les anglo-saxons appellent des runaway stars. Il s’agit d’étoiles qui ont été « éjectées » de leur orbite naturelle par la présence d’un troisième corps excitateur ou lors de la confrontation brutale entre une étoile à neutrons et sa compagne. Quelle qu’en soit la cause, l’étoile devenue vagabonde est expulsée à grande vitesse dans le vide interstellaire. Après quelques millions d’années d’une course violente, elle devient souvent ce que l’on appelle une étoile de type Wolf-Rayet qui éjecte de grandes quantités de matière dans l’espace (notamment l’aluminium 26 évoqué plus haut) avant d’exploser en supernova. Une telle étoile aurait pu « ensemencer » le nuage en formation du système solaire avant d’aller mourir plus loin. Cette fois, le scénario semble plus convaincant mais il y a tout de même un hic : la survenue d’une telle éventualité est très rare. Pas impossible mais très rare. Dès lors, pourquoi faudrait-il que, parmi des milliards d’étoiles créées (et qui continuent à l’être), seul (ou presque) notre Soleil ait subi une telle origine ? Les scientifiques, on le sait, n’aiment guère expliquer des phénomènes somme toute banals, par une succession d’événements plutôt improbables…

une explication encore plus convaincante 

     Plus récemment encore, en 2012, une explication plus complète a été avancée par Matthieu Gounelle (Museum national d'histoire naturelle). Ce cosmologiste nous décrit une histoire qui prend enfin en compte les anomalies observées dans les analyses chimiques des météorites, ces témoins de la naissance de notre système solaire, notamment l'abondance anormale de magnésium 26 citée plus haut. Pour ce scientifique, l'histoire de la formation du Soleil peut se résumer en quatre phases :

     1. il y a environ 4,6 milliards d'années, un immense nuage de gaz et de poussières s'effondre sous l'effet de la gravitation. Au centre de ce gigantesque tourbillon naissent plusieurs milliers d'étoiles;

     2. parmi ces étoiles, certaines sont massives et donc de courte durée de vie (quelques millions d'années) : ce sont elles qui ensemmencent l'espace avec des élements radioactifs, notamment du fer 60 dont la présence n'avait jusque là été prise en compte par aucun scénario;

     3. une deuxième génération d'étoiles apparaît alors, répandant autour d'elles ce fameux aluminium 26 à la présence si surprenante.

     4. autour d'une étoile massive de cette deuxième génération, une enveloppe de fer 60 et d'aluminium 26 se forme et finit par s'effondrer sur elle-même donnant naissance à une troisème génération d'une centaine d'étoiles parmi lesquelles notre Soleil. Le temps passant, après plusieurs millions d'années, l'étoile massive proche du Soleil disparaît dans une explosion gigantesque tandis que les "soeurs" de notre étoile se dispersent progressivement. Notre Soleil reste seul avec son cortège d'astéroïdes qui portent encore les traces de sa création sous la forme des dérivés radioactifs qu'on vient d'évoquer.

      Dès lors, dans un tel scénario, les "anomalies" radioactives s'expliquent sans que l'on ait recours à l'étoile fugitive évoquée plus haut dans le sujet et dont la présence résultait d'une coincidence un peu trop facile...

         Cette explication est-elle définitive ? L'avenir nous le dira sans doute mais elle a le mérite d'être complète.

     On comprend donc que si la formation de notre système solaire commence à être relativement comprise, il reste encore bien des incertitudes. L’arrivée d’instruments d’observation (spatiaux et terrestres) toujours plus performants dans les toutes prochaines années devrait nous renseigner davantage : l’observation encore débutante des planètes extrasolaires de même que celle des pépinières d’étoiles nous apporteront vraisemblablement bien des éléments qui manquent encore. En effet, s’il est une chose dont on est sûr, c’est que les mêmes phénomènes se répètent selon des lois physiques immuables. Dès lors, il suffit d’observer le ciel plus ou moins lointain pour comprendre ce qui s’est passé chez nous dans le passé.

Images

1. le disque protosolaire (sources : http://www.open.ac.uk)

2. formation des planètes (sources : http://astrosurf.com/)

3. rétraction progressive du Soleil (sources : http://users.skynet.be)

4. disque d'accrétion protosolaire (sources : http://i14.servimg.com)

5. la nébuleuse du Crabe (sources :  techno-science.net)

6. étoile de type Wolf-Rayet (sources : www.infosphere.be)

  (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : naine jaune - diagramme de Hertzsprung-Russel - Isaac Newton - Emmanuel Kant - gravitation - Laplace - moment angulaire - astéroïdes - James Clerk Maxwell - disque d'accrétion - planète tellurique - planète gazeuse - système binaire (d'étoiles) - planètes extrasolaires - supernova - étoiles fugueuses/ réf. en français (run away stars/réf. en anglais) - étoile de Wolf-Rayet

(les mots en gris renvoient à des sites d'informations complémentaires)

Sujets apparentés sur le blog :

 1. place du Soleil dans la Galaxie

 2. la Terre, centre du Monde

 3. la querelle sur l'âge de la Terre

 4. planètes extrasolaires

 5. l'énigme de la formation de la Lune

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 Mise à jour : 6 mars 2023