La formation des petits corps du système solaire, tels que les astéroïdes, ou les « planétésimaux » (les ancêtres des planètes) demeure mystérieuse. Si la communauté s’accorde à penser qu’elle est le résultat de la concentration d’amas de poussières dans le disque protoplanétaire, qui s’effondrent sous leur poids, il demeure une grande incertitude sur l’endroit et le moment de cette formation...
À ce jour, les simulations numériques montrent que le lieu le plus propice à une formation rapide des petits corps est la « ligne de glaces », c’est-à-dire le lieu du disque où la vapeur d’eau se condense sous forme de glace, à une température d’environ 160K (environ -110°C). Mais ce résultat est en conflit avec l’analyse des météorites de fer, issues des noyaux des premiers petits corps du système solaire. Elles se partagent en deux groupes ayant des propriétés isotopiques et chimiques différentes. Ces différences plaident en faveur de la formation de deux sites de formation, en non pas d’un seul, de compositions distinctes, à des distances du Soleil différentes.
Un groupe de chercheurs de l’Observatoire de la Côte d’Azur, de l’Observatoire de Paris et de l’Institut de Physique du Globe de Paris, dans un partenariat international avec des collègues du Caltech (USA) et des Universités Allemandes de Bayreuth et Münster, dans un article paru sur Nature Astronomy le 22 décembre 2021, a montré pour la première fois que les premiers petits corps du système solaire auraient pu se former dans deux anneaux distincts, l’un près de la ligne de condensation des silicates (vers 1000K) , l’autre près de la ligne de glaces (vers 160K).
Un élément clé de cette explication, est la prise en considération de la formation des petits corps en même temps que le Soleil, alors que la nébuleuse solaire était encore alimentée par un nuage moléculaire en effondrement. Freiné par le champ magnétique, le gaz du nuage moléculaire tombe au voisinage de l’étoile; ainsi alimenté, le disque protoplanétaire s’étale progressivement. Lors de cette expansion radiale du disque, qui dure quelques cent mille ans, le gaz refroidit et ses différentes composantes condensent progressivement en formant des poussières : d’abord les silicates, puis la glace d’eau. Les poussières sont freinées à leur tour par le gaz et dérivent vers l’étoile. Dans ce processus, les poussières s'accumulent naturellement dans le disque protoplanétaire autour de la ligne de silicates et de la ligne de glaces, favorisant la formation des planétésimaux à ces endroits, comme indiqué dans le schéma ci-joint.
Selon les auteurs de cette étude, un premier réservoir de petits corps riches en glaces (avec une masse d'une trentaine de fois celle de la Terre) se serait formé près de l’orbite actuelle de Jupiter, permettant ensuite la formation des noyaux des planètes géantes, tandis qu'un second réservoir de petits corps sans glaces mais riches en silicates (contenant quelques fois la masse de la Terre seulement) se serait formé près de l'orbite actuelle de la Terre, permettant ensuite la formation des planètes telluriques. La formation contemporaine de ces deux populations de petits corps de caractéristiques chimiques différentes est en très bon accord avec les contraintes observationnelles fournies par les météorites de fer. Cela montre également que le processus de formation planétaire a démarré très tôt dans la nébuleuse solaire, en même temps que la formation du Soleil, alors que notre Système Solaire était encore alimenté en matériau par le milieu interstellaire.
Un schéma du modèle conçu par les auteurs pour expliquer la formation des deux familles de corps parents des météorites de fer, de type rocheux d’une part et riche en glaces d’autre part. Le point clef est qu’un disque alimenté près du soleil s’étale radialement. Le gaz refroidit et condense les espèces chimiques plus réfractaires, comme les silicates, puis celles plus volatiles, comme la vapeur d’eau. Une fois condensés en poussières, ces éléments dérivent vers le soleil, sous l’effet du frottement avec le gaz. Ainsi la matière s’accumule à la ligne de condensation de l’eau et à celle des silicates, ce qui permet la formation des premiers planétésimaux dans deux anneaux distincts.
Référence
Contemporary formation of early Solar System planetesimals at two distinct radial locations, A. Morbidelli, K Baillié, K. Batygin, T. Guillot, D. C. Rubie et T. Kleine, Nature Astronomy, 22 décembre 2021.
Contact
Alessandro Morbidelli, directeur de recherche CNRS, UMR Lagrange (CNRS - Université Côte d'Azur - Observatoire de la Côte d'Azur) : Alessandro.Morbidelli@oca.eu
Illustration haut de page : © NASA/JPL/JHUAPL
