Comment nos planètes se sont formées

Mercure, Vénus, la Terre et Mars dans le système solaire interne sont des planètes relativement petites et sèches, contrairement à Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune dans les régions extérieures, planètes qui contiennent des quantités beaucoup plus importantes d'éléments volatils. «Ces dernières années, nous avons également découvert une autre différence majeure entre les deux parties du système solaire», poursuit Maria Schönbächler, professeure à l'Institut de géochimie et de pétrologie de l'ETH Zurich : les météorites ont une «empreinte» différente selon qu'elles proviennent du système solaire intérieur ou extérieur. Le lieu d'origine détermine la teneur en isotopes des météorites. Les isotopes sont des atomes distincts d'un élément donné, qui partagent tous le même nombre de protons dans leur noyau, mais varient dans le nombre de neutrons.

L'explication actuelle des différences de composition chimique entre les planètes et les météorites est la suivante : il y a 4,5 milliards d'années, alors que le système solaire se formait à partir d'un disque de gaz et de poussière, la planète Jupiter a été la première à se développer. Elle a divisé le disque en une région intérieure et une région extérieure et a bloqué l'échange de matières entre les deux.

«En tant que groupe de scientifiques, collaborant à travers un éventail de disciplines, nous avons développé un nouveau modèle de formation de la planète. Il fournit une autre explication aux différences entre les isotopes, et Jupiter ne joue aucun rôle», explique la professeure Schönbächler. L'idée de cette nouvelle théorie est née de la collaboration entre des scientifiques de l'ETH Zurich et de l'Université de Zurich au sein du Pôle de recherche national (PRN) PlanetS, dont Maria Schönbächler est membre. L'équipe internationale a publié ses travaux dans la revue Science.

Deux vagues de formation à des moments différents

«Nous avons utilisé des simulations informatiques pour calculer ce qui aurait pu se passer dans les premiers temps du système solaire», explique Tim Lichtenberg de l'Université d'Oxford, auteur principal de l'étude et ancien membre du Pôles de recherche nationaux PlanetS, qui a obtenu son doctorat à l'ETH Zurich.

Selon ces simulations, le système solaire intérieur et extérieur s'est formé en deux vagues distinctes à deux moments différents. Très tôt, alors que le disque original de poussière et de gaz ainsi que le soleil étaient encore en formation, les premiers éléments constitutifs des planètes intérieures sont apparus - les expertes et experts appellent ces pièces, qui mesurent environ 100 kilomètres, des planétésimaux. La ligne de neige, qui s'est formée à une certaine distance du soleil encore très jeune, joue ici un rôle essentiel. À l'intérieur de la ligne de neige, l'eau existait sous forme de vapeur, tandis qu'au-delà, elle se transformait en cristaux de glace. Juste à l'extérieur de la limite des neiges, une partie de la vapeur d'eau s'est condensée en grains de poussière, qui se sont agglomérés pour former les premiers planétésimaux.

«Ceux-ci étaient extrêmement riches en eau», explique Tim Lichtenberg, en ajoutant : «C'est une sacrée surprise, car cela signifie que la Terre aurait dû contenir beaucoup plus d'eau et qu'aujourd'hui, elle devrait ressembler davantage à une comète.» Ici aussi, la nouvelle théorie offre une explication : le disque de poussière contenait l'isotope radioactif aluminium-26, dont les éléments constitutifs de la planète ont hérité. Il a une demi-vie de 700 000 ans et libère une grande quantité d'énergie lorsqu'il se désintègre - suffisamment pour chauffer les planétésimaux de l'intérieur et les faire fondre. Cela a conduit à la formation de noyaux de fer et à l'évaporation de l'eau et d'autres éléments volatils.

La ligne des neiges s'est déplacée vers l'extérieur

«Dans notre modèle, après que les premiers planétésimaux se soient formés dans le système solaire interne, rien ne s'est passé pendant environ un demi-million d'années», explique Tim Lichtenberg. Puis il y a eu une deuxième vague de formation de planétésimaux, mais cette fois dans le système solaire externe. Avec le réchauffement du disque de gaz et de poussière, la ligne de neige s'était déplacée vers l'extérieur, et les particules de poussière se déplaçant vers le soleil étaient retenues à la nouvelle frontière de neige. Les scientifiques la décrivent comme un «embouteillage», et cela a donné naissance à de nouveaux planétésimaux. «La formation des planètes dans le système solaire extérieur a commencé plus tard, mais s'est également terminée plus rapidement ; les planètes intérieures ont eu besoin de beaucoup plus de temps», explique Tim Lichtenberg. Comme le deuxième processus a commencé plus tard, une grande partie de l'aluminium-26 radioactif s'est déjà désintégrée, ce qui signifie qu'une plus petite quantité d'éléments volatils s'est évaporée. En conséquence, la région extérieure a vu la formation de géants gazeux et glacés comme Jupiter, Saturne ou Uranus.

Nouvelle combinaison de données actuelles

«Notre modèle jette également une nouvelle lumière sur la croissance des planétésimaux originaux dans le système solaire interne, qui a ensuite continué jusqu'à ce qu'ils forment les planètes terrestres comme notre Terre», dit Tim Schönbächler. Selon le modèle, la phase initiale a été dominée par les collisions entre les planétésimaux. Plus tard, la gravité de ces corps a fait qu'ils ont attiré et accumulé des particules de poussière dans un processus que les experts appellent «l'accrétion de cailloux». Une autre phase de collisions a suivi jusqu'à la fin du processus de formation de la Terre, lorsqu'elle est entrée en collision avec un dernier gros morceau. Cet impact a provoqué l'éjection par la jeune planète de matériaux qui ont finalement formé la lune. Les simulations illustrent également la façon dont les planètes ont migré plus près du soleil pendant leur formation, avant de s'installer sur les orbites que nous voyons aujourd'hui.

«Dans notre étude, nous proposons un scénario global qui reproduit la composition et l'histoire de la formation du système solaire», explique T. Lichtenberg. Et en effet, les calculs informatiques correspondent aux données issues de l'analyse des météorites et des observations astronomiques. «Cette combinaison des données actuelles sur les météorites et des modèles de développement est nouvelle», déclare Tim Schönbächler, «et je suis ravi de voir à quel point tout s'accorde.»