Des galets à l'origine de Jupiter et de Saturne
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Une nouvelle théorie sur la formation des géantes gazeuses telles que Jupiter et Saturne bousculent toutes les suppositions précédentes. Des petits cailloux seraient à l’origine des plus grandes planètes de notre système.
Les scientifiques viennent de trouver la clé du mystère de la formation de Jupiter et de Saturne dans notre système solaire. Les modèles précédents prédisaient de nombreuses géantes gazeuses, mais une nouvelle étude démontre que seuls quelques-uns de ces montres peuvent émerger à partir d’un disque protoplanétaire composé de gaz et de poussière. Selon Hal Levison, planétologue au Southwest Research Institute à Boulder au Colorado : On peut commencer avec un simple disque et des lois physiques de base pour reproduire les confins du système solaire et cela n’avait jamais été fait auparavant.
Le mystère de la formation de Jupiter et Saturne
Notre système solaire vieux de 4,56 milliards d’années a subi une évolution très rapide. En quelques millions d’années, le soleil avait consommé une grande partie de son disque de gaz et de poussière. De ce fait, Jupiter et Saturne, qui étaient couvertes par une immense enveloppe de poussière, devaient se former très rapidement. La disparition prématurée du disque solaire aurait empêché la formation de Jupiter et de Saturne. De nombreux théoriciens pensent que les géantes gazeuses se sont formées avec un noyau rocheux d’une masse égale à 10 fois à celle de la Terre. Cette masse leur aurait donné une gravité suffisante pour engloutir leur couverture gazeuse. Mais la création de modèles pour former ce noyau a été l’un des plus grands défis pour les planétologues, car il faut calculer le nombre de noyaux selon des orbites bien précises. Mais désormais, Levison et ses collègues ont développé un modèle qui prédit la formation de géantes gazeuses de la taille de Jupiter et de Saturne et leurs travaux viennent d’être publiés dans la revue Nature.
La théorie de la Pebble Accretion
Le modèle se base sur une théorie qui s’appelle la Pebble Accretion (la traduction peut varier, mais nous proposons l’accrétion de cailloux, l’accrétion de galets ou accumulation de poussière) qui explique la formation du noyau. Des petites graines de poussière peuvent se développer lorsqu’elles se télescopent et se collent ensemble grâce à l’électricité statique. Mais au délà d’une certaine dimension, qui est d’environ 1 mètre, le développement s’arrête, car la collision commence à casser le noyau de poussière plutôt que de le développer. Ce problème de dimension au mètre a été résolu il y a 10 ans lorsque les théoriciens ont réalisé que les cailloux, d’une dimension inférieure à 1 mètre, se déplaçaient constamment dans le sens du disque de gaz. Quand ils rencontraient d’autres cailloux, ils s’assemblaient et se renforçaient dans le sillage du disque de gaz comme une flopée d’oiseaux. Ces ensembles rocheux atteignaient rapidement une taille où ils étaient liés ensemble par la force de leur gravitation respective. Selon Levison, cette théorie résout l’obstacle du mètre puisque ces petits noyaux de cailloux pouvaient atteindre une dimension de 100 kilomètres en l’espace d’une nuit. Ensuite, ces embryons se réunissaient et ils ajoutaient plus de matières pour atteindre la taille du noyau final.
Une théorie qui explique la formation de la plupart des planètes du système solaire
Mais dans des modèles simplifiés, la théorie de l’accrétion de galets était trop efficace. Dans plusieurs simulations, on avait la formation de centaines de corps célestes similaires à la Terre. Mais au lieu d’abandonner la théorie de l’accrétion des galets, Levison l’a amélioré. Son équipe a découvert qu’en modifiant le modèle de sorte que la formation des cailloux prenne plus de temps, les embryons des grandes planètes, comme Saturne et Jupiter, avaient plus de temps pour interagir l’un avec l’autre avec leur gravité respective. Ce processus a permis d’expulser les plus grosses planètes à l’extérieur du système solaire et seules quelques unes sont restées pour former le noyau des géantes gazeuses comme Jupiter et Saturne. Les modèles des chercheurs, qui ont été simulés pendant une semaine sur 5 machines, ont permis de prédire l’une des 4 géantes gazeuses comme Jupiter et Saturne dans des orbites allant de 5 à 15 unités astronomiques (UA). Une unité astronomique est égale à la distance entre la Terre et le Soleil. Jupiter est à 5,2 UA et Saturne se trouve à 9,6 UA du soleil. Et les chercheurs ont même obtenu des bonus puisque leur modèle a aussi prédit quelques géantes de glace telles qu’Uranus et Neptune. Et le modèle a aussi prédit qu’une grande planète ne pourrait pas se former dans la ceinture de Kuiper qui est la région de petites planètes telles que Pluton.
Selon Anders Johansen, astrophysicien à l’université de Lund en Suède : Ils ont trouvé la solution au développement de nombreuses planètes. Ce chercheur a aidé à développer la théorie de l’accrétion de galets. Il suffit de donner plus de temps à la gravité pour que les embryons larges avalent les petits noyaux. Mais même si cette théorie est très prometteuse, il en existe d’autres qui valent un coup d’oeil. Alan Boss, un théoricien de la Carnegie Institution for Science à Washington, promeut l’idée d’une instabilité gravitationnelle. Dans cette dernière, un disque protoplanétaire froid et massif pourrait développer des ondulations. Et ces dernières pourraient se rassembler en géantes gazeuses avec ou sans noyau. Boss note que certaines exoplanètes, plus massives que Jupiter, orbitent à des centaines d’UA de leurs étoiles. À cette distance, il serait difficile pour les noyaux de se former parce que les galets seraient détruits à cause de la distance. L’instabilité gravitationnelle offre une meilleure explication que l’accrétion des galets. Mais Boss ajoute qu’il y a de place pour que les 2 théories cohabitent ensemble.
Une théorie qui est renforcé par les récentes observations
Toutefois, Andrew Youdin, un astronome de l’université d’Arizona à Tucson, estime que les géantes avec des orbites distantes peuvent être des anomalies. Ce chercheur estime que de futures observations permettront de découvrir des géantes gazeuses normales comme 51 Eri B, cette exoplanète similaire à Jupiter, qu’on a découvert la semaine dernière et qui possède le double de la masse de Jupiter à une distance de 13 UA de son étoile. Et ce type de découverte renforcerait la théorie de l’accrétion des galets.
Et Johansen veut renforcer cette théorie avec une récente découverte par l’ALMA, un ensemble de télescopes au Chili. On a découvert de jeunes planètes, dont le sillage se composait de graines de poussière d’un millimètre, dans un disque protoplanétaire qui avait seulement 1 million d’années. Cette observation montre que les graines de poussière sont très fréquentes dans la période de temps proposée par Levison. Et Johanson ajoute que les disques protoplanétaires sont d’excellentes usines pour ces cailloux qui sont à l’origine des planètes comme Jupiter et Saturne. Levison conclut que la prochaine étape de son modèle sera de comprendre la formation du système solaire interne. Cette région contient des planètes rocheuses qui se sont formées plus lentement et étant donné que les orbites de ces planètes sont beaucoup plus courtes, la création d’un modèle sera bien plus difficile.
