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La formation du système solaire

Le système protosolaire. Document Adolph Schaller/NGS.

La raison et les lois (I)

Le travail des scientifiques est parfois difficile et hasardeux et repose souvent sur les épaules de leurs ailleux ou un travail collaboratif. Ainsi que nous l'expliquerons dans le dossier consacré à la philosophie des sciences, la fin de la Renaissance reste marquée par le questionnement de l'homme devant les multiples facettes de son visage. Ne se suffisant plus de la parole de Dieu, l'homme prit la décision d'ouvrir le "Livre du Monde" pour y trouver une nouvelle interprétation de la réalité.

Le XVIIe siècle vit l'apparition des sciences expérimentales, basées non plus sur des concepts abstraits, sans lien avec la réalité, mais sur des données accumulées par l'expérience mainte fois répétée.

Les lois physiques qui nous aident à comprendre la raison de toute chose sur Terre peuvent expliquer, a priori, les phénomènes qui se produisent sur les autres planètes et lunes du système solaire et bien au-delà. Il nous suffit pour cela d'analyser le rayonnement émis par ces astres ou de lâcher des sondes d'exploration autonomes dans leur atmosphère ou de les déposer sur leur sol afin d'analyser leur composition et leur structure. En retour, si nos modèles fonctionnent ailleurs, cela confirme les idées exprimées par les chercheurs, expérimentateurs ou théoriciens dont la compréhension n'est jamais totalement vérifiée sans la comparaison ultime in situ, tel est le but de la Science.

On ne peut pas résumer un processus aussi complexe que la formation du système solaire en quelques lignes au risque de raconter des banalités. Une bonne compréhension nous oblige à faire appel à des études pluridisciplinaires où se cotoyent des notions d'astrophysique, de mécanique des fluides, d'hydrodynamique, de thermodynamique, d'électromagnétisme, de géologie et de géochimie parmi d'autres. C'est en effet grâce aux lois spécifiques de ces différentes disciplines mais qui généralement se combinent que nous pouvons aujourd'hui expliquer l'évolution et la différenciation des astres peuplant le système solaire. Il est donc indispensable d'en introduire les notions, mais rassurez-vous de manière toute à fait concrète.

Pour faciliter la lecture de cette longue et passionnante histoire, cet article a été divisé en plusieurs chapitres, chacun se rapportant à une ou plusieurs phases précises de la formation du système solaire :

- Rappel historique (1644-1948) : p1 (cette page)

- L'enrichissement stellaire, la fragmentation du nuage moléculaire et la phase préstellaire (coeurs de Larson) : p2

- La phase protostellaire, transfert du moment cinétique, développement du champ magnétique et les turbulences : p3

- La phase T Tauri (jet bipolaire, contraction de Hayashi et ZAMS) : p4

- La cavité centrale magnétosphérique et l'évolution des disques circumstellaires : p5

- Le disque de poussières et la théorie de l'accrétion : p6

- La croissance des grains de poussières et des planétésimaux : p7

- La ligne de glace, la formation des planètes gazeuses et la migration planétaire : p8

- La formation des planètes telluriques, de la Terre et la Lune : p9.

Rappel historique

Si des idées farfelues ont été proposées pour expliquer la genèse du système solaire et de l'Univers et notamment par référence à la Bible, les premières théories rationnelles furent proposées dès le XVIIe siècle, en particulier par Descartes.

La théorie des tourbillons de Descartes (1644)

Avant même que Newton propose sa loi sur la gravitation universelle (1644), le mathématicien, physicien et philosophe français René Descartes (l'auteur du "cogito", "je pense donc je suis") avait déjà publié son "Traité de Mécanique Céleste" (1798-1825) en appliquant des méthodes scientifiques. Dans un contexte moderne, on pourrait dire que Descartes est un "évolutionniste". En effet, c'est l'un des premiers scientifiques qui essaya de découvrir les "lois de la nature" en essayant d'en déduire des conséquences pouvant être testées par l'observation.

Malgré les intimidations de l'Inquisition (rappelons que Giordano Bruno fut brûlé vif en 1600), Descartes s'engagea dans un ambitieux projet de construire une théorie systématique des connaissances qui aboutit à la publication de plusieurs livres dont les "Principia Philosophiae" en 1644. Ce livre VIII sera traduit en français en 1647 et est disponible de nos jours en trois tomes sous le titre "Oeuvres philosophiques".

Dans la troisième partie de ses "Principia", à partir de l'article XIX, Descartes décrit sa théorie des tourbillons pour expliquer la formation et les déplacements planétaires.

Les tourbillons de Descartes. Les astres se placent au centre de ces structures. Planches extraites des "Principia Philosophiae", tome 3.

Dans son commentaire sur Descartes, le prêtre, philosophe et théologien français Nicolas Malebranche écrivit "si Dieu avait créé le Soleil comme un cube, les lois du mouvement l'auraient bientôt transformé en sphère" (adaptation libre).

Descartes démontra que la forme en tourbillon du système solaire est un état stationnaire. Il considèra que l'espace n'est pas vide mais rempli d'une substance qu'on appellera l'éther (Descartes n'utilise pas ce terme mais Leibniz et Huygens citent la "materia aethera" lorsqu'ils discutent des idées de Descartes).

Descartes en déduisit que les seules trajectoires possibles dans ce milieu sont des orbites fermées et que les seuls mouvements possibles sont donc ceux d'un tourbillon. Aussitôt que Dieu insuffla le mouvement à la matière écrit-il, celle-ci forme des tourbillons plus ou moins circulaires et de toutes tailles. La friction engendrée par leurs déplacements les attire vers le centre du tourbillon, formant le Soleil. Les parties les plus légères s'échappent des tourbillons pour former le ciel transparent tandis que les corps plus lourds sont capturés par les plus petits tourbillons et finissent par former la Terre et les autres planètes. Descartes précise qu'autour de ces planètes, des tourbillons secondaires se forment dans lesquels les satellites sont capturés.

Avec le recul, cette description est étrangement similaire à la théorie des tourbillons que proposera Carl von Weizsäcker trois siècles plus tard (voir plus bas).

Grâce à la théorie des tourbillons, Descartes parvient à reconcilier les idées héliocentriques de Copernic (où le Soleil est au centre d'un grand tourbillon) avec le principe anthropocentrique selon lequel la Terre est au centre de l'univers (qui possède son propre tourbillon).

Descartes n'ira toutefois pas plus loin dans son développement des idées Coperniciennes car en 1633 il eut écho de la condamnation de Galilée et préféra s'en tenir à la théorie des tourbillons qui lui sembla plus orthodoxe.

Quant à Newton qui eut connaissance des travaux de Descartes, il fut plus orthodoxe encore en préférant remettre la question entre les mains de Dieu, ce que Laplace lui reprocha par la suite.

La théorie de Kant (1755)

Dans son livre "Histoire naturelle et théorie générale du ciel" (1755), le philosophe allemand Emmanuel Kant imagina que le système solaire s'est formé à partir d'un immense nuage de gaz à l'origine froid et immobile.

Pour être exact, Kant reprit l'idée proposée en 1734 par le scientifique suédois Emanuel Swedenborg dans son livre "Opera Philosophica et Mineralia" (tome 1, "Principes de la nature", troisième partie mais qui est surtout connu pour son analyse de la fonte du fer et du cuivre dans le tome 2).

Selon Kant, les particules éparses se sont unies par l'effet de la gravitation, ce qui déclencha un mouvement de rotation dans une direction commune, phénomène sur lequel le philosophe se s'étend pas.

A mesure que la pression augmenta, les particules situées au centre de cette nébuleuse ont été chauffées par friction, jusqu'à devenir incandescentes et former le Soleil. A mesure que le Soleil se contracta, il tourna plus rapidement sur lui-même, engendrant une force centrifuge qui éjecta du Soleil des anneaux gazeux d'où allaient naître les planètes. En périphérie de cet anneau, la température était suffisamment basse pour former de la glace et préserver les gaz volatils, permettant de former les grosses planètes gazeuses.

La théorie du nuage froid de Kant (gauche) et celle de la nébuleuse primitive chaude de Laplace (droite).

La nébuleuse primitive de Laplace (1796)

En 1796, dans son "Exposition du système du monde", le mathématicien, astronome et homme politique français Pierre-Simon de Laplace[1] proposa une hypothèse proche de celle de Kant à la différence que sa "nébuleuse primitive" était chaude et en rotation dès l'origine.

Ainsi, pour utiliser les mots de Laplace, le système solaire est né de la condensation d'une nébuleuse très vaste composée de gaz et de particules dont la partie centrale était plus dense dès l'origine et portée à haute température. Cette nébuleuse était formée de tourbillons tournant dans le sens horloger et anti-horloger gravitant autour d'une masse centrale et animée d'un mouvement de rotation très lent qui s'accéléra par la suite.

Sous l'effet de la force centrifuge, un anneau de matière se forma dans le plan équatorial du Soleil, sa composition et sa vitesse se distribuant radialement selon la loi de Kepler (1/r2). Sous l'effet de la gravité, cet anneau se rompit et la matière se condensa, donnant naissance aux planètes.

Si Laplace décrivit cette évolution d'un point de vue mécanique et global, il ne disposait pas de données suffisantes pour expliquer les détails de cette évolution en terme de masse, durée, température, chimie, etc, pas plus que les raisons qui déclenchèrent la rotation et l'effondrement de cette nébuleuse. Mais à peu de choses près, cette théorie fut acceptée et n'évolua pas pendant près de deux siècles. 

Au cours du XXe siècle plusieurs théories ont été proposées mais la plupart étaient fausses à l'image de la célèbre théorie de Jeans que nous allons rapidement décrire ou de la "Théorie Laplacienne Moderne" d'Andrew Prentice dont vous n'avez probablement jamais entendu parlé, et pour cause et dont voici une courte critique.

L'éjection de matière de Jeans (~1904)

Au début du XXe siècle, le physicien, astronome et mathématicien britannique James H. Jeans[2] reprit la théorie des marées gravitationnelles proposée en 1745 par le naturaliste, mathématicien et astronome français Georges-Louis Leclerc, comte de Buffon, qui avait imaginé qu'une "puissante comète" était entrée en collision avec le Soleil et l'aurait "endommagé" et éjecté une langue feu à l'origine des planètes.

Jeans imagina une situation similaire mais au lieu qu'il s'agisse d'une comète dont on connaissait à présent plus ou moins la nature fragile et volatile, il proposa qu'une étoile passa suffisamment près du Soleil pour qu'il éjecte une langue de matière liquide. Elle aurait eu une forme lenticulaire, amincie aux extrémités et renflée en son centre, expliquant ainsi la dimension des différentes planètes qui se seraient formées ensuite par condensation de cette masse fluide.

La formation des planètes selon la théorie de James Jeans, une vue simpliste comme le fut sa théorie. Documents T.Lombry.

Malgré les compétences de Jeans, cette explication relevait plus du bon sens naïf que d'une étude rigoureuse et ne résista pas longtemps à la critique scientifique. Déjà en son temps, Laplace s'était opposé à la théorie de Buffon.

Finalement, seule l'hypothèse formulée par Kant et Laplace fut retenue et reprise dans de nombreux ouvrages jusqu'au début du XXe siècle dont "Le Ciel" de A.Berget et L.Rudaux (Larousse, 1923 dont voici la couverture repoussée) mais elle fut encore citée dans la plupart des livres d'astronomie destinés aux jeunes jusqu'aux années 1970.

Mais conséquence naturelle des progrès réalisés en astronomie, finalement la théorie de Kant-Laplace ne sera citée que pour son caractère historique bien que les concepts de disque en rotation, de condensation et l'effet de la gravité aient été conservés dans les modèles contemporains.

Entre-temps, la découverte de météorites aussi vieux que le système solaire donna de nouvelles idées à quelques physiciens.

La théorie des tourbillons de von Weizsäcker (1944)

C'est en 1938 que le physicien allemand Carl von Weizsäcker proposa le premier véritable modèle protosolaire.

Dans ses travaux publiés entre 1944 et 1948 von Weizsäcker[3] reprit le vieux modèle cartésien des tourbillons inventé par Descartes et Laplace et proposa que les planètes s’étaient formées à partir d'un nuage de gaz et de poussières en rotation animé de mouvements turbulents.

Von Weizsäcker assuma que le Soleil primitif était déjà formé et entouré dans son plan équatorial d'un disque constitué de gaz et de poussières peu dense (10-9 g/cm3) contenant environ 10 % de la masse du Soleil.

Compte-tenu de la composition du Soleil (alors estimée à 57 % d'hydrogène et 40 % d'hélium) mais aussi du fait qu'une partie du moment cinétique (angulaire) doit être dissipé pour expliquer les vitesses actuelles du Soleil et des planètes, von Weizsäcker fit l'hypothèse que l'hydogène et l'hélium contenus dans le disque se sont dissipés, entraînant une partie du moment cinétique qui autrement aurait dû être pris en compte pour expliquer la contraction de la matière ou plutôt sa chute sur le Soleil.

Les tourbillons dissipant peu d'énergie en raison du mouvement global du système, les poussières situées dans les parties internes peuvent accumuler de l'énergie et entrer en collisions à grande vitesse, grossissant par coalescence au sein de condensations annulaires. Von Weizsäcker considèra que ce disque pouvait déjà contenir des débris et notamment des météorites qui par collision-fusion auraient formés les planètes.

Si ses calculs confirmaient dans le détail les observations des astrophysiciens, y compris la loi de Titius-Bode et l'excentricité des planètes - ce que confirmèrent George Gamow et J.Allen Hynek dans leur revue de cette théorie en 1948 - ce modèle fut très critiqué car la turbulence est associée au désordre et n'est pas censée produire des structures hautement organisées comme l'exige cette hypothèse. Elle n'explique pas non plus la distinction entre les planètes telluriques et gazeuses pas plus que la formation de la Lune.

La théorie de l'accrétion de Ter Haar (1948)

La théorie de von Weizsäcker fut modifiée en 1948 par le physicien théoricien hollandais Dirk Ter Haar. Il supprima les tourbillons pour les remplacer par des turbulences aléatoires qui conduiraient à la formation d'une nébuleuse protoplanétaire plus épaisse dans laquelle les instabilités gravitationnelles ne pourraient pas se développer. Son travail fera l'objet d'une publication en 1967 portant sur l'origine du système solaire dans le journal "Annual Review of Astronomy and Astrophysics".

Illustration de la formation des planètes par accrétion. Document Mark Garlick.

Il arriva à la conclusion que les planètes ont dû se former par accrétion et que la composition des différentes planètes dépendait de la différence de température entre les régions internes et externes du système solaire. Les planètes formées dans les régions plus chaudes se refroidirent de telle sorte que seuls les matériaux réfractaires (non volatils) se sont condensés dans les régions internes, laissant les matériaux plus légers aux planètes géantes gravitant dans les espaces froids.

La principale difficulté de ce modèle est qu'il suppose que la dissipation turbulente s'est déroulée sur une période de temps d'un millénaire, trop rapide pour former les planètes.

L'intérêt des modèles de von Weizsäcker et Ter Haar est de contenir des agrégats de matière de type météoritique âgés d'environ 4.5 milliards d'années qu'on retrouve dans le système solaire actuel. En effet, G.Wasserburg et ses collègues de Caltech parmi d'autres confirmèrent que certains échantillons météoritiques telle les chondrites carbonées étaient âgés de 4.56 milliards d’années. Il devait donc exister des fragments de roches antérieurement à l'époque où le Soleil se forma. On y reviendra.

A quelques nuances près que nous détaillerons plus loin, ce modèle est universellement reconnu et a depuis servi de base aux développements ultérieurs. Mais à mesure que les astronomes ont étudié la formation des étoiles et découvert de nouveaux phénomènes, ils ont dû modifier le scénario original de Kant-Laplace ainsi que la théorie de l'accrétion pour tenir compte notamment des effets induits par le vent stellaire et les champs magnétiques. Ces découvertes conduisirent à une révision complète des détails des mécanismes de formation des étoiles, de la nébuleuse protosolaire et du disque protoplanétaire. Par la suite, la découverte d'exoplanètes telluriques et gazeuses là où on ne les attendait pas à de nouveau conduit les planétologues à revoir leur copie.

Ceci termine la partie historique. Pour le lecteur qui le souhaite, quelques lois jouant un rôle fondamental en astrophysique, en particulier dans l'effondrement gravitationnel sont présentées dans la page Lois de conservation et théorème du viriel.

Nous allons à présent détailler le processus de formation protoplanétaire en commençant par la phase initiale de l'enrichissement du milieu interstellaire en éléments lourds.

Prochain chapitre

L'enrichissement stellaire

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[1] Pierre-Simon de Laplace, "Exposition du système du monde" (2 tomes), 1796 et révisé jusqu'en 1825, dont Ernest Pasquier fit une analyse en 1898. Cf. aussi la bibliothèque Gallica Tome I, Tome II. La question de la formation du système solaire est exposée dans le tome II. Lire également R.Jastrow et A.G.W. Cameron, "Origin of the Solar System", Academic Press Inc., 1963; Andesite Press, 2015 qui reprend les principaux travaux des pionniers, de Descartes à von Weizsäcker et dont voici un extrait.

[2] Consulter E.A.Milne, "Sir James Jeans. A Biography", Cambridge University Press, 1952/2013.

[3] Carl F.Z. von Weizsäcker, Zeitschrift für Astrophysik, 22, p.4, 1943 - Carl F.Z. von Weizsäcker, Zeitschrift für Astrophysik, 22, p.319-355, 1944 - Carl F.Z. von Weizsäcker, Astrophysical Journal, 100, p.110, 1944 - Carl F.Z. von Weizäcker, Naturforsch., 3a, p.524, 1948. Lire également le compte-rendu de G.Gamow et J.A.Hynek, "A new theory by C.F. von Weizsacker of the origin of the planetary system", Astrophysical Journal, 101, p.249-254, 1945.


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