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Formation de planètes

Une représentation artistique du système exoplanétaire Epsilon Eridani. (Crédit: NASA/JPL-Caltech)
Une représentation artistique du système exoplanétaire Epsilon Eridani. (Crédit: NASA/JPL-Caltech)

Notre propre Système solaire et ses planètes se sont formés il y a environ 4,6 milliards d’années. Bien que les astronomes puissent étudier les astéroïdes, vestiges de cette formation planétaire, les cratères d’impact et d’autres indices de la création du Système solaire, il est impossible de reculer véritablement dans le temps. L’étude d’une série de planètes, y compris des exoplanètes, à différents stades de leur évolution est l’un des moyens dont disposent les astronomes pour déterminer comment se forment les planètes.

La naissance d’un système solaire

Une représentation artistique d’un disque protoplanétaire autour d’une jeune étoile. (Crédit: NASA)

L’une des questions les plus fondamentales qu’un spécialiste des planètes puisse se poser est « comment se forment les planètes ». Cette question apparemment simple a une réponse très compliquée. Comme notre Système solaire est âgé d’environ 4,6 milliards d’années, il est difficile de trouver des preuves concrètes de sa formation. Ce que nous savons, c’est que les planètes se forment probablement dans les disques poussiéreux et gazeux (appelés disques protoplanétaires) qui entourent les étoiles naissantes.

Il existe deux grandes théories sur la façon dont les planètes se forment. Le premier processus potentiel est appelé accrétion du noyau et stipule que les planètes se forment à partir de minuscules particules. De petits grains de poussière entrent en collision, se collent les uns aux autres et grossissent jusqu’à atteindre une taille d’environ un kilomètre. À ce stade, nous appellerions ce bébé planète un planétésimal.

La deuxième théorie affirme que le disque protoplanétaire n’est pas homogène partout, et que certaines régions denses du disque pourraient s’effondrer sous l’effet de leur propre gravité, formant un planétésimal directement à la place. Cette théorie est appelée la méthode de formation des planètes par instabilité gravitationnelle.

Les deux théories ont leurs propres défis et avantages pour expliquer d’où viennent les planétésimaux, mais il n’est pas totalement clair quelle est la méthode de formation dominante. La véritable formation des planètes peut se faire par l’un de ces deux processus, ou par une combinaison des deux. Dans tous les cas, une fois qu’une population de planétésimaux s’est formée, elle peut croître, entrer en collision et interagir pour créer des planètes de taille normale.

Les simulations d’ordinateurs modernes sont capables de modéliser cette évolution des planétésimaux. Au fur et à mesure de leur croissance, les planétésimaux acquièrent une masse suffisante pour que les matériaux voisins soient attirés vers eux par l’attraction gravitationnelle. Cela peut provoquer une phase de croissance incontrôlée qui peut créer des planètes gazeuses géantes. D’autres planétésimaux peuvent avoir du mal à atteindre cette masse critique ou ne l’atteignent qu’après qu’une planète géante proche ait déjà absorbé tout le gaz disponible. Ces derniers peuvent entrer en collision les uns avec les autres et rester de petites planètes rocheuses. En un laps de temps relativement court (quelques millions d’années), la majeure partie de la matière du disque protoplanétaire est soit recueillie à l’intérieur de jeunes planètes et planétésimaux, soit entièrement éjectée du système.

 

Comment le savons-nous?

Comment pouvons-nous tester ces théories? Pendant longtemps, la seule preuve dont nous disposions se trouvait dans certains composants du Système solaire qui peuvent conserver un historique stable pendant au moins 5 milliards d’années. Les météorites qui tombent à la surface de la Terre peuvent avoir flotté dans l’espace depuis leur formation aux premiers stades du Système solaire. Leur intérieur nous indique quels types de matériaux étaient disponibles lors de la création du Système solaire. Certaines des comètes que nous voyons entrer dans notre Système solaire ont été expulsées lors de la formation des planètes et ne font que revenir. Les matériaux contenus dans leurs queues incandescentes peuvent fournir un aperçu non-contaminé de la composition chimique du Système solaire externe.

Nous pouvons également observer les anciens cratères pour nous aider à établir une chronologie des événements. Sur Terre, les cratères sont effacés par l’érosion, la vie et le mouvement des plaques tectoniques bien trop rapidement pour que l’on puisse établir une chronologie de 5 milliards d’années. En revanche, des endroits comme la Lune ou Mercure ne présentent aucun de ces problèmes. L’enregistrement des cratères révèle à quel point les grands impacts étaient courants dans le passé. Il est logique que dans les toutes premières phases de la formation du Système solaire, les impacts aient été nombreux, car il y avait encore beaucoup de débris flottants présents. Il est intéressant de noter que les enregistrements de cratères montrent qu’il y a eu un deuxième pic d’impacts beaucoup plus tard, appelé “Grand bombardement tardif ».

Toute théorie sur la formation de notre Système solaire doit prendre en compte tous ces éléments de preuve. Crée-t-elle des astéroïdes et des comètes comme nous l’observons? Produit-elle des planètes comme celles que nous avons et sur des orbites similaires? Peut-elle expliquer le Grand bombardement tardif?

 

Images de bébés planètes

Une image directe d’une planète en formation autour de l’étoile PDS 70 (dont la lumière est bloquée par un coronographe) prise par l’instrument SPHERE au télescope ALMA. (Crédit: ESO/A. Müller et al.)

Ces dernières années, les télescopes se sont améliorés au point que nous pouvons prendre des photos détaillées des nouvelles étoiles et de leurs disques protoplanétaires en observant la lumière submillimétrique, millimétrique et les ondes radio. Nous utilisons une méthode appelée l’interférométrie pour prendre ces images à haute résolution. Cette technique fait appel à de nombreux télescopes différents pouvant être séparés de plusieurs kilomètres, qui agissent tous ensemble comme un télescope géant virtuel. Ces images cartographient les particules de poussière chaudes de ces disques qui émettent des rayonnements à des longueurs d’onde plus longues.

Les détails que nous découvrons sont frappants et laissent entrevoir comment les disques peuvent se développer et évoluer dans d’autres systèmes. Nous pouvons clairement voir des structures dans les disques qui pourraient être à l’origine, ou être causées par, de toutes nouvelles planètes! Il est raisonnable de supposer que notre propre Système solaire ressemblait à ces structures lorsqu’il était en formation. La plupart des recherches actuelles sur la formation des planètes visent à affiner nos modèles théoriques afin qu’ils puissent correspondre aux observations de plus en plus détaillées.

 

La formation de planètes à l’iREx

Certaines des recherches visant à développer et à affiner les modèles de formation et d’évolution des planètes sont menées par les membres de l’iREx. Dans certains cas, ils cherchent à comprendre comment le disque protoplanétaire peut se transformer en anneaux et en planètes. Ils étudient également comment les conditions de formation affectent la planète qui en résulte et comment elle apparaîtrait dans nos télescopes. Certains groupes modélisent même la façon dont les planètes peuvent migrer autour de leur système au cours de son évolution, et ce que cela signifie pour l’ensemble du système. Pour en savoir plus, nous vous invitons à lire leurs profils: