LA FORMATION DES PLANETES
Pourquoi la Terre à l’image des planètes telluriques qui lui ressemblent est-elle solide alors que les planètes géantes sont gazeuses ? Si nous pouvons répondre à cette question, nous comprendrons mieux l’évolution du système solaire et quelles sont les chances d’existence d’une planète similaire à la nôtre ailleurs dans l’Univers.
Nous avons vu comment le disque protoplanétaire s'était probablement différencié en fonction de différents facteurs, la lumière, la gravité et la chaleur. L'idée la plus logique qui vient à l'esprit est donc de se dire que si la Terre figure parmi les planètes inférieures, sa constitution actuelle dépend de la condensation des oxydes métalliques ou des silicates dans les régions internes du disque protosolaire.
Jusqu’alors les scientifiques pensaient que les planètes telluriques s’étaient formées rapidement suite à l’effondrement gravitationnel du nuage de poussières, sa condensation ayant formé les corps les plus denses de Mercure, Vénus, la Terre et Mars.
Grâce aux missions Apollo, on s’aperçut bientôt que cette théorie s’écroulait littéralement sous les impacts. En analysant la surface lunaire, on s’aperçut que la plupart des cratères d’impacts avaient été créés il y a environ 4.5 milliards d’années. Une seconde vague d’impacts météoritiques remontait à 3.8 milliards d’années. Les impacts furent donc très abondants durant cette période puis ils décrurent rapidement.
Cette observation raviva la théorie d’accrétion proposée par Otto Schmidt en 1944. Il supposait en effet que toutes les planètes s’étaient formées suite à l’accrétion de météorites. Selon Schmidt la poussière cosmique balayée par l’onde de choc de la supernova s’est graduellement transformé en petits grains qui, à l’instar de nos boules de neige sont devenus graviers, galets, rochers et finalement de petites planètes ou "planétésimaux". Cette accrétion de poussière finit par former des corps de la taille de la Lune qui continuèrent à s’agglutiner. Par leurs dimensions ces corps n’étant pas très nombreux, à mesure que le temps s’écoula le nombre de collisions entre planétésimaux diminua.
Cette théorie explique aussi pourquoi les planètes géantes en sont toujours au stade primitif de la formation, car de moins en moins de planétésimaux ont pu fusionner sur la même période de temps. Selon George W.Wetherill du Carnegie Institution de Washington, il faut compter environ 100 millions d’années pour que des fragments de 10 km de diamètre forment un objet de la taille de la Terre. Selon un nouveau modèle développé par Kenyon et Bromley et que nous allons décrire, ce temps d'accrétion pourrait être cent fois plus rapide.
A consulter : Circumstellar Disk Learning Site
De nombreuses étoiles âgées de quelques millions d'années présentent un disque circumstellaire constitué de poussières. Cette structure apparaîtrait durant la dernière phase d'accrétion. Dans les quelques millions d'années qui suivent cette poussière servira de matière première à la formation des planétésimaux, des comètes et des planètes qui peut-être orbiteront autour de ces étoiles. A gauche, la lumière zodiacale constituée de fines poussières abandonnées par les comètes actives et les astéroides entrant en collision. C'est la seule trace ténue qu'il reste de la poussière du disque protoplanétaire solaire. Cliquer sur l'image pour l'agrandir. Au centre et à droite, les disques circumstellaires de Bêta Pictoris et de BD+31°643 enregistrés en infrarouge à 0.5 microns. Plus jeunes que les étoiles qu'ils abritent, ils sont la preuve que cette poussière a récemment été formée autour de ces étoiles. Documents David Jewitt/IfA Hawaii.
La nuance apportée par Nakano en 1987 suppose qu’un disque de poussière très mince se forma autour du Soleil, entouré de nappes de gaz concentriques. Le disque contenant de nombreuses masses à forte inertie se fragmenta au bout d'un million d'années pour former des "planétoïdes", roches indépendantes de quelques centaines de kilomètres de diamètre, entourées d'une atmosphère gazeuse très dense. L'accrétion de ces planétoïdes donnera naissance aux planètes. Les planétoïdes les plus proches du Soleil étaient constitués des plus petits agrégats de matière et formèrent les planètes telluriques. Les planétoïdes plus volumineux ont formé les planètes géantes tandis que des planétoïdes sans gaz formèrent Uranus et Neptune. 
Le disque de poussière entourant HD 216956, alias Fomalhaut, a Pisces Austrinus. Cette étoile est située à 25 a.l. dans la constellation des Poissons et est âgée entre 100 et 300 millions d'années seulement. C'est la 17eme plus brillante étoile du ciel. On soupçonnait l'existence de ce disque depuis les premières analyses en infrarouge réalisées en 1984 mais la faible résolution des instruments ne permettait pas d'en obtenir une image en haute résolution. C'est la première fois que les astronomes obtiennent une image si détaillée d'un disque circumstellaire. Celle-ci fut obtenue en 2005 par le Télescope Spatial Hubble. Le disque est constitué de grains de poussière assez grands, mesurant entre 10 et 100 microns et présente une masse totale estimée à 1.4 masses lunaires soit 1026 g, 500 millions de fois plus faible que la masse du Soleil. Le disque forme un tore incliné de 24° par rapport au plan du système solaire et s'étend entre 15 et 158 UA. Sous l'intense champ magnétique et le vent stellaire émis par l'étoile, toute la partie centrale du disque de poussière a été soufflée dans un rayon de 15 UA soit 1.4 milliards de kilomètres, l'équivalent de la moitié du système solaire ! L'anneau intérieur se situe à 133 UA, l'anneau extérieur à 158 UA. On pense qu'une planète est plongée dans ce disque et orbiterait entre 50 et 70 UA de l'étoile. Voici l'idée que s'en fait l'artiste David H. Hardy. Document NASA/ESA/U.Berkeley.
Simuler pour comprendre
En 2004, Scott Kenyon et Benjamin Bromley ont simulé sur ordinateur un nouveau modèle de disque protoplanétaire contenant un milliard de particules-tests représentant autant de planétésimaux de 1 km de diamètre gravitant autour d'une étoile centrale telle que le Soleil.
Ils ont découvert que le processus de formation des planètes était remarquablement efficace. Au commencement les collisions entre planétésimaux se produisent à des vitesses assez lentes, permettant aux objets qui se heurtent de fusionner et d'accroître leur masse. A une distance voisine de celle de la Terre (1 U.A) il faut compter seulement 1000 ans pour que des objets de 1 km se transforment en objet de 100 km. 10000 ans plus tard ces objets se sont transformés en protoplanètes de 1200 km de diamètre et il faut encore attendre 10000 ans pour obtenir des protoplanètes de 2000 km de diamètre. Des objets de la taille de la Lune peuvent donc se former en l'espace de 20000 ans. 
Voici trois vues tridimensionnelles représentant les orbites des principaux astres du système solaire. A gauche une vue oblique, au centre une vue dans le plan de l'orbite terrestre et à droite une vue à la verticale du Soleil. Le champ de chaque image couvre environ 50 UA. Document de l'ESA programmé par Dario Izza.
Pendant que les planétésimaux du disque se développent par accrétion, leur pesanteur s'accroît en parallèle. Lorsque ces objets atteignent 1200 km de diamètre, ils commencent à perturber les plus petits. Par effet gravitationnel les gros planétésimaux donnent de l'impulsion aux plus petits qui gravitent si rapidement qu'il se heurtent au lieu de fusionner, ils se pulvérisent et augmentent la quantité de poussière dans l'environnement immédiat des protoplanètes. Tandis que ces dernières continuent à accumuler des planétésimaux par accrétion-fusion, les fragments restants se transforment progressivement en poussière interplanétaire.
Cette poussière se forme donc à la même distance que la planète et sa température indique donc la température de la planète en cours de formation. Ainsi, la poussière qui suit Vénus sur son orbite est plus chaude que la poussière orbitant à hauteur de la Terre. Si une exoplanète en cours de formation est invisible, on peut malgré tout la détecter à travers le nuage de poussière qui s'agglomère autour d'elle et qui émet un rayonnement infrarouge.
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Si le cercle est la seule orbite fermée avec l'ellipse, pourquoi les planètes et les satellites orbitent-ils sur des orbites elliptiques et non pas circulaires ? |
Selon Kenyon et Bromley la taille des plus grands objets contenus dans le disque protoplanétaire détermine le taux de production de la poussière. Cette quantité est maximale lorsque les planétésimaux mesurent 1200 km.
Aujourd'hui, le modèle planétaire proposé par Kenyon et Bromley couvre seulement une fraction du système solaire, de l'orbite de Vénus jusqu'à la Ceinture des astéroïdes ainsi que la formation de la Ceinture de Kuiper. A l'avenir, ils projettent d'inclure dans leur modèle les orbites de Mercure et de Mars. La prochaine étape sera de modéliser la formation de Jupiter et de Saturne.
Les atmosphères planétaires
Quant à la question de savoir pourquoi l’atmosphère des planètes telluriques est différente de celle des planètes géantes, il faut se tourner vers le Soleil pour trouver la réponse. Le rayonnement solaire est en effet chargé électriquement et souffla les résidus ionisés de la nébuleuse primitive en l’espace de 50 millions d'années.
Nakato suggère qu’en l’espace de 2 millions d'années, les quatre planètes les plus proches du Soleil devinrent solides et s'entourèrent d'une atmosphère. Il fallut attendre 50 millions d'années pour aboutir à la structure de Jupiter et Saturne, 1.3 milliards d'années pour former Uranus et 4 milliards d'années pour former Neptune. En se refroidissant, le gaz contenu dans l'écorce des planètes telluriques s'est libéré pour former leur atmosphère. Mais trop peu massive les composés volatils de Mercure, Vénus, de la Terre et dans une moindre mesure ceux de Mars se sont évaporés en quelques millions d'années. Seuls les composés réfractaires qui ne s’évaporaient pas à faible température ont été conservés et s’est ainsi que les silicates et autres granites servirent de soubassement à l’écorce des planètes telluriques.
Les quatre planètes géantes ayant accumulé de nombreux planétoïdes et beaucoup de gaz, elles se sont refroidies loin du souffle ionisant du Soleil et gardèrent leur atmosphère primitive. Entre-temps, Pluton quitta une orbite instable pour graviter seule aux confins du système solaire, croisant de temps en temps l'orbite de Neptune et des comètes qui pénétraient dans le système solaire.
Enfin Xéna, alias 2003 UB313, découverte en 2005, est selon toute vraisemblance issue de la Ceinture de Kuiper au même titre que Pluton et changea d'orbite suite à une perturbation gravitationnelle.
A quelques variantes près, la théorie de l'accrétion explique parfaitement bien la genèse du système solaire. Mais qu’en est-il de la genèse des planètes ?
Système protoplanétaire selon T.Lombry.
La métamorphose de Gaïa
En ce qui concerne la Terre, le martèlement incessant des impacts météoritiques a fini par réchauffer l’intérieur, mélangeant les débris cosmiques aux constituants du manteau. Cette contribution énergétique est aussi importante que les décharges électriques dans l’atmosphère.
Entre 200 et 400 km de profondeur, un océan de magma entra en activité et donna naissances aux éruptions volcaniques. Cette activité sera complétée par l’impact de gros planétésimaux et de comètes pouvant avoir la taille de la Lune ou même de Mars.
La théorie de l'accrétion explique les nombreux flots de magma et les incessantes éruptions volcaniques que connu la Terre dans le passé. Le processus d’accrétion eut également des conséquences sur l’évolution thermodynamique de toutes les planètes.
Pendant cette période, sur la troisième orbite se trouvait une planète rougeoyante très hostile, dont le sol était parsemé de lacs de laves portés à plus de 1100°C et l’atmosphère envahie de gaz carbonique suffocants. Une épaisse couche nuageuse nous voilait le visage de la Terre. Ce n’est qu’au bout d’un milliard d’années environ que le visage de Gaïa se métamorphosa. Après une longue période de dégazage qui donnera toute l’eau des océans, son atmosphère devint orange, zébrée de nuages de méthane et d’ammoniac. La mer pris une couleur vert-olive, envahie par les premières colonies bactériennes.
Après le refroidissement des laves, l'assoupissement des activités volcaniques et atmosphériques, la température ambiante redescendit progressivement sous 40°C. La vie bactérienne profita de cette accalmie pour conquérir tous les biotopes et prolifera dans un monde à présent propice à son développement. Mais le développement de la vie est un processus très lent. La Terre fut une planète exclusivement couverte de bactéries et de colonies microbiennes durant plus de 3 milliards d'années, soit durant les trois-quart de son existence.
Finalement, au terme de 4 milliards d'années de très lente évolution, Gaïa abandonna nonchalamment quelques nuages constitués d'eau dans l’atmosphère, nous laissant découvrir le dessin finement ciselé des mers et des continents qui porteront la vie. Le voile nuageux se dissipant, l'énergie solaire favorisa le développement d'une vie plus évoluée, marine tout d'abord, végétale puis animale ensuite pour aboutir à l'homme.
Généralités
Qu'est-ce qu'une planète ? L'Académie Nationale des Sciences américaine définit une planète comme étant un corps de moins de 2 masses joviennes tournant autour d'une étoile. Mais nous verrons dans une autre page que cette définition vieille de plusieurs décennies est aujourd'hui insuffisante car elle sous-entend que des astéroïdes de quelques milliers de kilomètres de diamètre seraient également considérés comme des planètes, ce qui n'est pas le cas.
Autour du Soleil gravitent dix planètes. En s'éloignant de lui nous trouvons dans l'ordre Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune, Pluton et Xéna. Chacune gravite sur une orbite stable en accord avec les lois de Kepler et de Newton, en équilibre avec toutes les autres planètes. Les positions qu'elles occupent s'accordent également avec la loi empirique de Titius-Bode qui fonctionne jusqu'à Uranus.
A l'exception de Pluton et Xéna, on constate que toutes les planètes gravitent dans un même plan baptisé l'écliptique qui est large de 17 degrés et dont la projection sur le ciel couvre les douzes constellations du zodiaque, du Bélier aux Poissons. Cela ne sert donc à rien de rechercher une planète dans la constellation d'Orion, vous ne la trouverez pas.
Le Soleil n'est pas la seule étoile à disposer d'un cortège planétaire et on compte aujourd'hui une bonne centaine d'exoplanètes gravitant autour d'autant de systèmes stellaires.
Depuis l'Antiquité, les observateurs connaissaient les cinq premières planètes jusque Saturne, les seules visibles à l'oeil nu tels des astres errants parmi les constellations. Les autres planètes, beaucoup trop pâles ne furent découvertes qu'à partir de la fin du XVIIIeme siècle sur base des perturbations orbitales que subissaient les planètes géantes Jupiter et Saturne. A cette époque, on recensa également les comètes et la ceinture d'astéroïdes, composée de rochers indépendants, éparpillés entre l'orbite de Mars et de Jupiter. A l'inverse des étoiles, les planètes n'ont pas l'énergie suffisante pour produire leur propre luminescence. Leur éclat ne provient que de la réflexion de la lumière qu'elles reçoivent du Soleil. C'est le pouvoir réfléchissant (l'albédo) de leur surface qui leur donne plus ou moins de clarté, qui varie bien entendu en fonction de leur phase et de la distance. 
Tailles respectives des planètes par rapport au Soleil
Il faut distinguer les planètes inférieures (Mercure et Vénus) des planètes supérieures (Mars jusque Neptune, Pluton et Xéna étant des membres à part). Mercure et Vénus étant situées en deçà de l'orbite terrestre, elles peuvent occasionnellement transiter devant le disque du Soleil. Vues depuis la Terre, ces deux planètes ne s'éloigneront pas à plus de quelques dizaines de degrés du Soleil. Cet écart leur permet de présenter des phases comme la Lune au cours de son évolution. Elles brilleront avec le plus vif éclat lorsqu'elles seront très proches de la Terre, peu de jour avant ou après la conjonction inférieure, en présentant un croissant très échancré.
Invisibles en pleine journée car noyée dans le rayonnement solaire, Mercure et Vénus seront visibles à l'aube ou au crépuscule comme des étoiles de première grandeur. Souvent Vénus (et parfois Mercure) devient "l'étoile du berger" car c'est la première "étoile" qui apparaît le soir ou la dernière à briller le matin. La rumeur rapporte que ce surnom remonterait à une époque où elle indiquait aux bergers qu'il était temps de rentrer les moutons à la bergerie.
Les planètes supérieures seront donc les seules à pouvoir être observées en pleine nuit, dans l'une des douze constellations du zodiaque. Ce n'est que lorsque ces planètes seront en quadrature, formant un angle droit avec la Terre et le Soleil, qu'elles présenteront une légère phase gibbeuse. Les planètes supérieures tournent toutes dans le même sens autour du Soleil mais il arrive qu'elles accusent un mouvement rétrograde parmi les constellations, pour se diriger en sens opposé pendant quelques semaines avant de reprendre une course normale. Ce phénomène est induit par les vitesses différentielles des planètes sur leur orbite.
Tous ces mouvements sont aisément quantifiables et peuvent être simulés sur ordinateur, ou mécaniquement dans les planétariums afin de prédire les conjonctions des planètes entre elles, avec la Lune ou les étoiles ou pour prédire d'autres phénomènes qui obéissent à la mécanique céleste, comme les éclipses.
A la lumière des découvertes spatiales, nous pouvons à présent dresser un résumé des connaissances que nous avons acquises sur toutes les planètes. Pluton et Xéna restent les seules planètes ignorées des sondes spatiales, mais les relevés faits à partir du sol ou par le Télescope Spatial Hubble nous donnent déjà quelques éléments concernant leur structure. Cette revue est détaillée dans les autres pages de ce dossier.
Pour plus d'information
Cours de mécanique orbitale, Université Aix-Marseille II
David Jewitt, U.Hawaii (IfA)
