Dans les premières années du système solaire, les planètes géantes encore en formation ont esquivé, ont fait un do-si-do, puis ont fait basculer l’un de leurs partenaires loin de l’emprise gravitationnelle du soleil. Les choses se sont arrangées, et notre système planétaire était dans sa configuration finale.
Ce qui a déclenché ce remaniement planétaire est inconnu. Maintenant, des simulations informatiques suggèrent que le rayonnement chaud du jeune soleil évaporant son disque de gaz et de poussière formant des planètes a conduit au brouillage des orbites des planètes géantes, rapportent des chercheurs dans le 28 avril Nature.
En conséquence, les quatre plus grandes planètes pourraient avoir été dans leur configuration finale dans les 10 millions d’années suivant la naissance du système solaire il y a environ 4,6 milliards d’années. C’est beaucoup plus rapide que les 500 millions d’années suggérées par les travaux précédents.
Le mécanisme de brassage planétaire que l’équipe a découvert dans les simulations informatiques est très innovant, déclare Nelson Ndugu, un astrophysicien qui étudie la formation des systèmes planétaires à l’Université du Nord-Ouest à Potchefstroom, en Afrique du Sud, et à l’Université Muni à Arua, en Ouganda. “Il a un énorme potentiel.”
Des tas de preuves, y compris des observations de systèmes planétaires extrasolaires se formant (SN : 02/07/18), avait déjà indiqué que quelque chose dans l’histoire des débuts de notre système solaire confondait les orbites des planètes géantes, ce que les scientifiques appellent l’instabilité des planètes géantes (SN : 25/05/05).
“Les preuves de l’instabilité de la planète géante sont vraiment solides”, déclare Seth Jacobson, planétologue à la Michigan State University à East Lansing. “Cela explique de nombreuses caractéristiques du système solaire externe”, dit-il, comme le grand nombre d’objets rocheux au-delà de Neptune qui composent la ceinture de Kuiper (SN : 31/12/09).
Pour comprendre ce qui a déclenché cette instabilité, Jacobson et ses collègues ont effectué des simulations informatiques des milliers de façons dont le système solaire primitif aurait pu se développer. Tout a commencé avec une jeune étoile et un disque de gaz et de poussière formant une planète entourant l’étoile. L’équipe a ensuite modifié les paramètres du disque, tels que sa masse, sa densité et sa vitesse d’évolution.
Les simulations incluaient également les planètes géantes encore en formation – cinq d’entre elles, en fait. Les astronomes pensent qu’une troisième géante de glace, en plus d’Uranus et de Neptune, était à l’origine un membre du système solaire (SN : 20/04/12). Jupiter et Saturne complètent le décompte final de ces planètes massives.
Lorsque le soleil est officiellement devenu une étoile, c’est-à-dire au moment où il a commencé à brûler de l’hydrogène en son cœur – il y a environ 4,6 milliards d’années – son émission ultraviolette aurait touché le gaz du disque, l’ionisant et le chauffant à des dizaines de milliers de degrés. “Il s’agit d’un processus très bien documenté”, déclare Jacobson. Au fur et à mesure que le gaz se réchauffe, il se dilate et s’éloigne de l’étoile, en commençant par la partie interne du disque.
“Le disque disperse son gaz de l’intérieur vers l’extérieur”, explique Beibei Liu, astrophysicien à l’Université du Zhejiang à Hangzhou, en Chine. Lui et Jacobson ont collaboré avec l’astronome Sean Raymond du Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux en France dans la nouvelle recherche.
Dans les simulations de l’équipe, à mesure que la partie interne du disque se dissout, cette zone perd de la masse, de sorte que les planètes enfouies et encore en formation ressentent moins de gravité de cette région, explique Jacobson. Mais les planètes ressentent toujours la même quantité d’attraction de la région extérieure du disque. Ce couple gravitationnel, comme l’appelle l’équipe, peut déclencher un effet de rebond : “A l’origine, les planètes migrent vers l’intérieur, et elles atteignent le [inner] bord de ce disque, et ils inversent leur migration », dit Liu.
En raison de la grande masse de Jupiter, il n’est pratiquement pas affecté. Saturne, cependant, se déplace vers l’extérieur et dans la région qui, dans les simulations, contient les trois planètes géantes de glace. Cette zone devient surpeuplée, dit Liu, et des interactions planétaires étroites s’ensuivent. Une géante de glace est entièrement expulsée du système solaire, Uranus et Neptune s’éloignent un peu plus du soleil et “elles forment progressivement des orbites proches de la configuration de notre système solaire”, explique Liu.
Dans leurs simulations informatiques, les chercheurs ont découvert que lorsque le rayonnement solaire évapore le disque, un remaniement planétaire s’ensuit presque toujours. « Nous ne pouvons pas éviter cette instabilité », dit Jacobson.
Maintenant que les chercheurs ont une idée de ce qui a pu causer ce remaniement du système solaire, la prochaine étape consiste à simuler comment l’évaporation du disque pourrait affecter d’autres objets.
“Nous nous sommes vraiment concentrés sur les planètes géantes, car leurs orbites étaient la motivation initiale”, déclare Jacobson. “Mais maintenant, nous devons faire le travail de suivi pour montrer comment ce mécanisme de déclenchement est lié aux petits corps.”