Présage-t-il une planète inconnue ?

Seth Jacobson de la Michigan State University et ses collègues en Chine et en France ont dévoilé une nouvelle théorie qui pourrait aider à résoudre un mystère galactique sur l’évolution de notre système solaire. Plus précisément, comment les géantes gazeuses – Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune – se sont-elles retrouvées là où elles se trouvent, en orbite autour du soleil comme elles le font ?

La recherche a également des implications sur la façon dont les planètes telluriques telles que la Terre se sont formées et la possibilité qu’une cinquième géante gazeuse se cache à 80 milliards de kilomètres au loin.

« Notre système solaire n’a pas toujours ressemblé à ce qu’il est aujourd’hui. Au cours de son histoire, les orbites des planètes ont radicalement changé », a déclaré Jacobson, professeur adjoint au Département des sciences de la Terre et de l’environnement du Collège des sciences naturelles. « Mais nous pouvons comprendre ce qui s’est passé. »

La recherche, publiée dans la revue Nature le 27 avril, offre une explication de ce qui est arrivé aux géantes gazeuses dans d’autres systèmes solaires et le nôtre.

C’est un beau modèle

Les étoiles naissent de nuages ​​massifs et tourbillonnants de gaz et de poussière cosmiques. Une fois notre soleil allumé, le système solaire primitif était encore rempli d’un disque de gaz primordial qui a joué un rôle essentiel dans la formation et l’évolution des planètes, y compris les géantes gazeuses.

À la fin du 20e siècle, les scientifiques ont commencé à croire que les géantes gazeuses tournaient initialement autour du soleil sur des orbites nettes, compactes et régulièrement espacées. Jupiter, Saturne et les autres se sont cependant installés depuis longtemps sur des orbites relativement oblongues, de travers et étalées.

Donc la question pour les chercheurs est maintenant « Pourquoi ? »

En 2005, une équipe internationale de scientifiques a proposé une réponse à cette question dans un trio de points de repère Nature papiers. La solution a été développée à l’origine à Nice, en France, et est connue sous le nom de modèle niçois. Il postule qu’il y avait une instabilité parmi ces planètes, un ensemble chaotique d’interactions gravitationnelles qui les ont finalement placées sur leurs trajectoires actuelles.

« Ce fut un changement tectonique dans la façon dont les gens pensaient au système solaire primitif », a déclaré Jacobson.

Le modèle de Nice reste une explication majeure, mais au cours des 17 dernières années, les scientifiques ont trouvé de nouvelles questions à se poser sur ce qui déclenche l’instabilité du modèle de Nice.

Par exemple, on pensait à l’origine que l’instabilité des géantes gazeuses avait eu lieu des centaines de millions d’années après la dispersion de ce disque de gaz primordial qui a donné naissance au système solaire. Mais de nouvelles preuves, dont certaines trouvées dans des roches lunaires récupérées par les missions Apollo, suggèrent que cela s’est produit plus rapidement. Cela soulève également de nouvelles questions sur l’évolution du système solaire intérieur qui abrite la Terre.

En collaboration avec Beibei Liu de l’Université du Zhejiang en Chine et Sean Raymond de l’Université de Bordeaux en France, Jacobson a aidé à trouver une solution qui a à voir avec la façon dont l’instabilité a commencé. L’équipe a proposé un nouveau déclencheur.

« Je pense que notre nouvelle idée pourrait vraiment détendre beaucoup de tensions sur le terrain, car ce que nous avons proposé est une réponse très naturelle au moment où l’instabilité de la planète géante s’est produite », a déclaré Jacobson.

Le nouveau déclencheur

L’idée est née d’une conversation que Raymond et Jacobsen ont eue en 2019. Ils ont émis l’hypothèse que les géantes gazeuses pourraient avoir été placées sur leur trajectoire actuelle en raison de la façon dont le disque de gaz primordial s’est évaporé. Cela pourrait expliquer comment les planètes se sont propagées beaucoup plus tôt dans l’évolution du système solaire que le modèle de Nice postulé à l’origine et peut-être même sans l’instabilité pour les y pousser.

« Nous nous sommes demandé si le modèle de Nice était vraiment nécessaire pour expliquer le système solaire », a déclaré Raymond. « Nous avons eu l’idée que les planètes géantes pourraient éventuellement se propager par un effet de » rebond « lorsque le disque se dissiperait, peut-être sans jamais devenir instable. »

Raymond et Jacobsen ont ensuite contacté Liu, qui a été le pionnier de cette idée d’effet de rebond grâce à des simulations approfondies de disques de gaz et de grandes exoplanètes – des planètes d’autres systèmes solaires – qui orbitent près de leurs étoiles.

« La situation dans notre système solaire est légèrement différente car Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune sont répartis sur des orbites plus larges », a déclaré Liu. « Après quelques itérations de sessions de remue-méninges, nous avons pris conscience que le problème pouvait être résolu si le disque de gaz se dissipait de l’intérieur. »

L’équipe a découvert que cette dissipation de l’intérieur vers l’extérieur fournissait un déclencheur naturel de l’instabilité du modèle de Nice, a déclaré Raymond.

« Nous avons fini par renforcer le modèle niçois plutôt que de le détruire », a-t-il déclaré. « C’était une illustration amusante de tester nos idées préconçues et de suivre les résultats où qu’ils mènent. »

Avec le nouveau déclencheur, l’image au début de l’instabilité est la même. Il y a encore un soleil naissant entouré d’un nuage de gaz et de poussière. Une poignée de jeunes géantes gazeuses tournent autour de l’étoile sur des orbites nettes et compactes à travers ce nuage.

« Tous les systèmes solaires sont formés dans un disque de gaz et de poussière. C’est un sous-produit naturel de la formation des étoiles », a déclaré Jacobson. « Mais lorsque le soleil s’allume et commence à brûler son combustible nucléaire, il génère de la lumière solaire, chauffant le disque et le soufflant finalement de l’intérieur vers l’extérieur. »

Cela a créé un trou croissant dans le nuage de gaz, centré sur le soleil. Au fur et à mesure que le trou grandissait, son bord traversait chacune des orbites des géantes gazeuses. Cette transition conduit à l’instabilité requise de la planète géante avec une très forte probabilité, selon les simulations informatiques de l’équipe. Le processus de déplacement de ces grandes planètes vers leurs orbites actuelles se déplace également rapidement par rapport à la chronologie originale du modèle de Nice de centaines de millions d’années.

« L’instabilité se produit dès la dissipation du disque gazeux du soleil, limitée à quelques millions d’années à 10 millions d’années après la naissance du système solaire », a déclaré Liu.

Le nouveau déclencheur conduit également au mélange de matériaux du système solaire externe et du système solaire interne. La géochimie de la Terre suggère qu’un tel mélange devait se produire alors que notre planète est encore en train de se former.

« Ce processus va vraiment agiter le système solaire interne et la Terre peut grandir à partir de cela », a déclaré Jacobson. « C’est assez cohérent avec les observations. » Explorer le lien entre l’instabilité et la formation de la Terre est un sujet de travail futur pour le groupe.

Enfin, la nouvelle explication de l’équipe vaut également pour d’autres systèmes solaires de notre galaxie où les scientifiques ont observé des géantes gazeuses en orbite autour de leurs étoiles dans des configurations similaires à celles que nous voyons dans la nôtre.

« Nous ne sommes qu’un exemple de système solaire dans notre galaxie », a déclaré Jacobson. « Ce que nous montrons, c’est que l’instabilité s’est produite d’une manière différente, plus universelle et plus cohérente. »

Planète 9 vue de l’espace

Bien que l’article de l’équipe ne le souligne pas, Jacobson a déclaré que le travail avait des implications pour l’un des débats les plus populaires et parfois houleux sur notre système solaire : Combien de planètes a-t-il ?

Actuellement, la réponse est huit, mais il s’avère que le modèle de Nice fonctionnait légèrement mieux lorsque le système solaire primitif comptait cinq géantes gazeuses au lieu de quatre. Malheureusement, selon le modèle, cette planète supplémentaire a été éjectée de notre système solaire pendant l’instabilité, ce qui aide les géantes gazeuses restantes à trouver leurs orbites.

En 2015, cependant, les chercheurs de Caltech ont trouvé des preuves qu’il pourrait encore y avoir une planète non découverte à la périphérie du système solaire à environ 80 milliards de kilomètres du soleil, à environ 47 milliards de kilomètres plus loin que Neptune.

Il n’y a toujours aucune preuve concrète que cette planète hypothétique – surnommée Planète X ou Planète 9 – ou la planète « supplémentaire » du modèle de Nice existe réellement. Mais, s’ils le font, pourraient-ils être une seule et même chose ?

Jacobson et ses collègues ne pouvaient pas répondre directement à cette question avec leurs simulations, mais ils pouvaient faire la meilleure chose suivante. Sachant que leur déclencheur d’instabilité reproduit correctement l’image actuelle de notre système solaire, ils pourraient tester si leur modèle fonctionne mieux en commençant avec quatre ou cinq géantes gazeuses.

« Pour nous, le résultat était très similaire si vous commencez avec quatre ou cinq », a déclaré Jacobson. « Si vous commencez avec cinq, vous avez plus de chances de finir avec quatre. Mais si vous commencez avec quatre, les orbites finissent par mieux correspondre. »

Quoi qu’il en soit, l’humanité devrait bientôt avoir une réponse. L’observatoire Vera Rubin, qui devrait être opérationnel d’ici la fin de 2023, devrait être en mesure de repérer la planète 9 si elle est là-bas.

« Planet 9 est super controversé, donc nous ne l’avons pas souligné dans le journal », a déclaré Jacobson, « Mais nous aimons en parler avec le public. »

C’est un rappel que notre système solaire est un endroit dynamique, encore plein de mystères et de découvertes à faire.