Clefs n°58 Automne 2009
Clefs n°58 Automne 2009
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de Automne 2009

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 168

  • Taille du fichier PDF : 7,3 Mo

  • Dans ce numéro : dans les secrets de l'Univers.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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38 L’astrophysique et l’exploration de l’Univers Hypérion, un des satellites de Saturne, qui mesure environ 340 km de diamètre. Il est criblé de cratères, indiquant que les satellites et les planètes du système solaire ont fait l'objet d'un bombardement intense d'astéroïdes. CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 suffisamment massive pour éliminer le gaz restant aux alentours. Elle a en effet « retenu » les molécules de gaz comprises entre elle et le Soleil (qui tournaient plus vite qu’elle) et a donc fait tomber ce matériau sur l’étoile. Au contraire, le gaz extérieur étant plus lent qu’elle, elle l’a accéléré, donc éloigné vers la périphérie. La planète a ainsi créé un sillon dans le disque gazeux circumsolaire, ce qui a interrompu l’apport de matière première. Le gaz tend certes à repeupler une telle percée, mais les simulations numériques montrent qu’un Jupiter situé à 750 millions de kilomètres du Soleil (comme c’est le cas actuellement) repousse finalement le gaz. Par ailleurs, plus vite une proto-planète géante est formée, plus grosse elle sera finalement parce qu’il reste encore beaucoup de gaz disponible dans le système. Si Jupiter est plus gros que Saturne, Uranus et Neptune, c’est tout simplement parce qu’il a été formé quelques millions d’années plus tôt. De l’importance de Jupiter En condensant du gaz dans des régions extérieures, et en éjectant des planétésimaux aux confins du disque par son action gravitationnelle, le jeune Jupiter a alimenté en matières premières la formation des autres planètes géantes. Grâce à ce rôle de collecteur de matériau, Saturne a pu ainsi être formé plus vite. En l’absence de Jupiter, Uranus et Neptune n’auraient probablement jamais atteint leur taille actuelle. En NASA/JPL/Space Science Institute effet, loin de l’étoile centrale, dans les régions de faible densité, la croissance d’un corps est si lente que le disque de gaz se dissipe bien avant la formation d’une grosse planète, ne laissant derrière lui qu’un astre « rabougri ». L’apparition de cette seconde génération de planètes géantes dans notre système aurait d’ailleurs pu avoir un effet dévastateur. En effet, si deux de ces planètes avaient été formées trop près l’une de l’autre, elles auraient pu interagir si fortement qu’elles auraient été catapultées sur des orbites fortement excentriques et inclinées, semant la perturbation dans tout le système. La Terre aurait pu être chassée de son emplacement par le passage proche d’une telle géante. C’est probablement ce qui s’est passé autour des étoiles accompagnées d’un cortège de planètes aux orbites excentriques et inclinées, alors que toutes les planètes du système solaire parcourent des orbites circulaires dans le plan de l’équateur du Soleil. En fait, Jupiter a déterminé l’évolution de l’ensemble du système par le jeu des résonances entre plané té - simaux. Plus proche du Soleil, plus éloigné ou placé sur une orbite elliptique, il aurait perturbé l’accrétion de ces corps, empêchant la formation des planètes telluriques. Un scénario consensuel Pour résumer l’histoire de nos origines, la majorité des scientifiques s’accorde aujourd’hui sur le scénario suivant. D’abord les planètes géantes se sont formées dans les parties extérieures de la nébuleuse protosolaire, par capture de gaz d’hydrogène et d’hélium sur un noyau massif résultant de l’accumulation de planétésimaux solides. Puis les planètes telluriques sont apparues, par accrétion de planétésimaux dans les parties intérieures de la nébuleuse. Tout cela n’a duré que quelques dizaines de millions d’années, ce qui est très court à l’échelle astronomique. Les planété simaux non utilisés pour former les planètes ont interagi avec ces dernières, et une ceinture d’astéroïdes beaucoup plus massive que celle qui existe aujourd’hui est apparue entre Mars (dernière planète tellurique) et Jupiter (première planète géante), ainsi que de nombreux corps exilés au-delà de Neptune. Après toutes ces perturbations, un calme relatif s’est établi pendant environ 600 millions d’années. L’étude des cratères des satellites du système solaire indique pourtant qu’un bombardement intense s’est produit environ 800 millions d’années après la formation des planètes. Que s’est-il passé ? Il semble bien que les planètes géantes étaient initialement deux à trois fois plus proches du Soleil qu’aujourd’hui. Leurs interactions gravitationnelles les ont conduites à ce moment-là à s’éloigner du Soleil et à migrer vers l’extérieur. L’arrivée des planètes géantes aux confins du système solaire a provoqué un énorme chaos et une foule d’astéroïdes a envahi tout le système, bombardant planètes et satellites pendant une dizaine de millions d’années. Le taux de bombardement était alors environ vingt mille fois supérieur à aujourd’hui. La Terre recevait l’impact d’un objet d’un kilomètre tous les vingt ans ! C’est à ce moment-là que se sont formées les ceintures des astéroïdes et de Kuiper, que (1) Astéroïdes troyens : astéroïdes partageant l’orbite de Jupiter autour du Soleil et situés autour de deux points d'équilibre stables. Ils sont répartis en deux groupes, l’un en avance de 60° et l’autre en retard de 60° sur Jupiter.
Jupiter a capté ses astéroïdes troyens (1) et que les planètes géantes ont acquis leurs satellites irréguliers. Dès lors, tout était en place. Environ 800 millions d’années après sa naissance, le système solaire était proche de son état actuel et stabilisé. Depuis, l’évolution s’est faite très lentement. Finalement, il a fallu beaucoup de hasards pour que notre système devienne ce qu’il est aujourd’hui et pour que nous soyons là pour commenter son origine. Si la répartition du gaz dans le disque autour du proto-Soleil avait été un tant soit peu différente, le résultat final aurait été tout autre. Les enseignements de Saturne Est-ce à dire que nous savons désormais tout de notre histoire ? Certainement pas. Malgré les spectaculaires progrès récents, nombre de points restent encore à élucider. La durée de certaines étapes et les échelles de temps de plusieurs phénomènes sont encore l’objet de discussions. La fragmentation d’un nuage est encore mal comprise. Le collage entre des agrégats de particules reste bien mystérieux. Comme indiqué plus haut, les scientifiques tournent maintenant leur regard vers Saturne, grâce à la sonde Cassini. Les anneaux de cette géante ont en effet souvent été considérés comme un « laboratoire » caractéristique du disque de gaz et de poussières qui entourait le Soleil avant la formation des planètes (voir Les anneaux de Saturne : un merveilleux laboratoire d'étude, p.40). Loin d’être uniformes, les anneaux sont en fait constitués de milliers d’annelets aux bords parfaitement délimités. Ils hébergent aussi des arcs de matière découverts pour la première fois autour de Neptune en 1984 par l'auteur de ces lignes. Tout cela suggère fortement l’existence de mécanismes de confinement, sujet majeur d'études dans de nombreux domaines de la physique. Les collisions entre les particules, les interactions gravitationnelles entre des anneaux minces et des petits satellites, ainsi que les phénomènes de résonance, conduisent à un échange d’énergie et de moment cinétique tel qu’anneaux et satellites se repoussent mutuellement. C’est ainsi que deux petits satellites, appelés « satellites gardiens », peuvent confiner un petit anneau. Les astronomes se demandent actuellement si des mécanismes de ce type entre les premiers embryons de planètes formés et de plus petites particules n’ont pas joué un rôle important pour former des planètes telluriques. Si Jupiter a indiscutablement déterminé l’existence même de la Terre, c’est maintenant Saturne, autre géante gazeuse, qui nous renseignera peut-être sur la formation de notre propre planète. > André Brahic Université Paris 7 Unité mixte de recherche astrophysique interactions multi-échelles (CEA-Université Paris 7- CNRS) Service d'astrophysique (SAp) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) Direction des sciences de la matière (DSM) Les anneaux de Saturne vus en rayonnements radio. Les similarités entre les anneaux et les disques proto-planétaires sont mises à profit par les scientifiques qui observent en direct des processus ayant permis la formation des planètes. CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 39 NASA/JPL



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