La frontière cosmique, peut-être causée par un jeune Jupiter ou un vent du système solaire émergeant, a probablement façonné la composition des planètes infantiles. —


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  • Au début du système solaire, un « disque protoplanétaire » de poussière et de gaz tournait autour du soleil et s’est finalement fusionné pour former les planètes que nous connaissons aujourd’hui.

    Une nouvelle analyse d’anciennes météorites par des scientifiques du MIT et d’ailleurs suggère qu’un mystérieux vide existait dans ce disque il y a environ 4,567 milliards d’années, près de l’endroit où se trouve aujourd’hui la ceinture d’astéroïdes.

    Les résultats de l’équipe, parus aujourd’hui dans Avancées scientifiquesfournissent une preuve directe de cet écart.

    « Au cours de la dernière décennie, les observations ont montré que les cavités, les lacunes et les anneaux sont courants dans les disques autour d’autres jeunes étoiles », explique Benjamin Weiss, professeur de sciences planétaires au Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes (EAPS) du MIT. « Ce sont des signatures importantes mais mal comprises des processus physiques par lesquels le gaz et la poussière se transforment en jeune soleil et en planètes. »

    De même, la cause d’un tel vide dans notre propre système solaire reste un mystère. Une possibilité est que Jupiter ait pu avoir une influence. Au fur et à mesure que la géante gazeuse prenait forme, son immense attraction gravitationnelle aurait pu pousser le gaz et la poussière vers la périphérie, laissant derrière elle un vide dans le disque en développement.

    Une autre explication peut être liée aux vents émergeant de la surface du disque. Les premiers systèmes planétaires sont gouvernés par de puissants champs magnétiques. Lorsque ces champs interagissent avec un disque rotatif de gaz et de poussière, ils peuvent produire des vents suffisamment puissants pour expulser la matière, laissant derrière eux un vide dans le disque.

    Indépendamment de ses origines, une lacune dans le système solaire primitif a probablement servi de frontière cosmique, empêchant les matériaux de part et d’autre d’interagir. Cette séparation physique aurait pu façonner la composition des planètes du système solaire. Par exemple, du côté intérieur de l’espace, le gaz et la poussière ont fusionné en tant que planètes telluriques, y compris la Terre et Mars, tandis que le gaz et la poussière relégués du côté le plus éloigné de l’espace se sont formés dans des régions plus glacées, comme Jupiter et ses géantes gazeuses voisines.

    « Il est assez difficile de franchir cet écart, et une planète aurait besoin de beaucoup de couple et d’élan externes », explique Cauê Borlina, auteur principal et étudiant diplômé de l’EAPS. « Donc, cela fournit la preuve que la formation de nos planètes était limitée à des régions spécifiques du système solaire primitif. »

    Les co-auteurs de Weiss et Borlina sont Eduardo Lima, Nilanjan Chatterjee et Elias Mansbach du MIT, James Bryson de l’Université d’Oxford et Xue-Ning Bai de l’Université Tsinghua.

    Une scission dans l’espace

    Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont observé une curieuse scission dans la composition des météorites qui ont fait leur chemin vers la Terre. Ces roches spatiales se sont formées à l’origine à différents moments et à différents endroits au fur et à mesure que le système solaire prenait forme. Ceux qui ont été analysés présentent l’une des deux combinaisons d’isotopes. Il est rare que des météorites présentent les deux – une énigme connue sous le nom de « dichotomie isotopique ».

    Les scientifiques ont proposé que cette dichotomie puisse être le résultat d’un espace dans le disque du système solaire primitif, mais un tel espace n’a pas été directement confirmé.

    Le groupe de Weiss analyse les météorites à la recherche de signes d’anciens champs magnétiques. Lorsqu’un jeune système planétaire prend forme, il emporte avec lui un champ magnétique dont la force et la direction peuvent changer en fonction de divers processus au sein du disque en évolution. Au fur et à mesure que la poussière ancienne se rassemblait en grains appelés chondres, les électrons à l’intérieur des chondres s’alignaient avec le champ magnétique dans lequel ils se formaient.

    Les chondres peuvent être plus petites que le diamètre d’un cheveu humain et se trouvent aujourd’hui dans les météorites. Le groupe de Weiss se spécialise dans la mesure des chondres pour identifier les anciens champs magnétiques dans lesquels ils se sont formés à l’origine.

    Dans des travaux antérieurs, le groupe a analysé des échantillons de l’un des deux groupes isotopiques de météorites, connus sous le nom de météorites non carbonées. On pense que ces roches sont originaires d’un « réservoir » ou d’une région du système solaire primitif, relativement proche du soleil. Le groupe de Weiss a précédemment identifié l’ancien champ magnétique dans des échantillons de cette région proche.

    Une discordance de météorite

    Dans leur nouvelle étude, les chercheurs se sont demandé si le champ magnétique serait le même dans le deuxième groupe de météorites isotopiques « carbonées », qui, à en juger par leur composition isotopique, seraient originaires plus loin dans le système solaire.

    Ils ont analysé les chondres, chacun mesurant environ 100 microns, de deux météorites carbonées découvertes en Antarctique. À l’aide du dispositif supraconducteur d’interférence quantique, ou SQUID, un microscope de haute précision du laboratoire de Weiss, l’équipe a déterminé l’ancien champ magnétique original de chaque chondre.

    Étonnamment, ils ont découvert que leur intensité de champ était plus forte que celle des météorites non carbonées plus proches qu’ils avaient précédemment mesurées. Alors que de jeunes systèmes planétaires prennent forme, les scientifiques s’attendent à ce que la force du champ magnétique diminue avec la distance par rapport au soleil.

    En revanche, Borlina et ses collègues ont découvert que les chondres éloignés avaient un champ magnétique plus fort, d’environ 100 microteslas, par rapport à un champ de 50 microteslas dans les chondres plus proches. Pour référence, le champ magnétique terrestre est aujourd’hui d’environ 50 microteslas.

    Le champ magnétique d’un système planétaire est une mesure de son taux d’accrétion, ou de la quantité de gaz et de poussière qu’il peut attirer en son centre au fil du temps. D’après le champ magnétique des chondres carbonés, la région externe du système solaire doit avoir accumulé beaucoup plus de masse que la région interne.

    En utilisant des modèles pour simuler divers scénarios, l’équipe a conclu que l’explication la plus probable de l’inadéquation des taux d’accrétion est l’existence d’un écart entre les régions intérieure et extérieure, ce qui aurait pu réduire la quantité de gaz et de poussière s’écoulant vers le soleil depuis le régions extérieures.

    « Les lacunes sont courantes dans les systèmes protoplanétaires, et nous montrons maintenant que nous en avions une dans notre propre système solaire », a déclaré Borlina. « Cela donne la réponse à cette étrange dichotomie que nous voyons dans les météorites et fournit la preuve que les lacunes affectent la composition des planètes. »

    Cette recherche a été financée en partie par la NASA et la National Science Foundation.

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