Un nouveau scénario pour la naissance de Jupiter

La planète Jupiter photographiée par Juno. © Nasa
Sans les 320 masses terrestres de Jupiter, le Système solaire n'aurait pas le même visage. Et pourtant, les astrophysiciens ne comprennent pas vraiment comment la planète géante s'est formée. Un nouveau scénario entend lever le mystère.

Elle pèse presque trois fois plus à elle seule que l'ensemble des autres planètes du Système solaire. Certains pensent que nous lui devons nos océans, ou qu’elle nous protège des comètes lointaines. Et elle semble responsable de la petite taille de Mars. Si Jupiter n’avait pas existé, c’est sûr, notre destin n’aurait pas été le même ! Depuis des années pourtant, les théoriciens bataillent pour reproduire la formation de la planète géante dans leurs simulations numériques. Trop lente, la croissance de leurs Jupiter de synthèse a pendant longtemps donné naissance à des planètes malingres. Trop rapide au contraire, elle peut engendrer désormais des monstres surdimensionnés. À la tête d'une équipe issue des universités de Berne et de Zurich, Yann Alibert croit avoir compris pourquoi...

Un cœur rocheux qui attire le gaz à lui

« Dans le modèle standard de la formation des planètes géantes, un embryon planétaire se forme d'abord par accrétion de petits solides que l’on nomme « peebles ». Puis, à partir d'une certaine masse critique, cet embryon déclenche une rapide accrétion de gaz », explique l'astrophysicien. Si cette masse critique n’est pas atteinte avant la dissipation du disque de gaz qui entoure la jeune étoile, une planète géante ne peut pas apparaître. Si au contraire l'embryon se forme très vite, ce que favorisent désormais les simulations numériques, il va pouvoir accumuler du gaz pendant 3 à 4 millions d’années et grossir démesurément, jusqu'à des masses bien supérieures à celle de Jupiter !

« Notre hypothèse, c’est que dans la prime jeunesse de Jupiter, avant qu’elle accumule son enveloppe gazeuse, il y a eu deux types différents d’accrétion solide, ce qui a provoqué une pause dans sa croissance », reprend le chercheur. Pendant le premier million d'années du Système solaire, des « peebles » (une dizaine de centimètres) auraient fait croître rapidement un embryon rocheux jusqu’à une dizaine de masses terrestres. À ce stade, l’accrétion de « peebles » aurait cédé la place à une croissance plus lente, par des impacts de petits corps de taille kilométrique (« planétésimaux ») et une accumulation modérée de gaz.

Les 3 étapes du nouveau modèle. En haut : création d'un embryon d'environ 10 masses terrestres par accrétion
de "peebles" (petits disques) et fragmentation de gros planétésimaux. Au centre : accrétion de petit planétésimaux
(séparés en deux populations) et accrétion lente de gaz (petites flèches grises). En bas : Accrétion massive de gaz,
et capture gravitationnelle de planétésimaux et de "peebles" proches. © Alibert at al. 2018, Nature Astronomy

« Trois millions d'années après le début de tout le processus, le proto-Jupiter devait ressembler à un gros Neptune d’environ 50 masses terrestres, dont un peu moins de la moitié sous forme solide », explique Yann Alibert. Plus rien ne pouvant contrecarrer l'accumulation de plus en plus rapide du gaz, le jeune Jupiter aurait alors grossi de 250 masses terrestres en moins d’un million d’années, avant que le disque autour du Soleil ne se dissipe.

Barrage gravitationnel

« Ce qui est intéressant dans ce modèle, c'est qu’il est le premier à prendre en compte des mesures récentes — et révolutionnaires — publiées en 2017 à propos des météorites », souligne Tristan Guillot (observatoire de la Côte d'Azur). Ayant lui-même proposé un modèle de formation lente de Jupiter il y a une dizaine d'années (« mais beaucoup moins avancé »), ce spécialiste des planètes géantes sait à quel point il est difficile de trouver un mécanisme qui empêche le gaz de s'accumuler trop vite sur les embryons rocheux.

C’est bien le nœud du problème : dans la Galaxie, l'observation des jeunes disques protoplanétaires autour des étoiles indique que ces embryons se forment très vite, plusieurs millions d'années avant la dissipation du gaz. Comment se fait-il alors que les super-Jupiter soient si rares ? Dans le modèle de Yann Alibert et ses coauteurs, c'est la phase précoce d'impacts de planétésimaux qui permet de répondre à cette question : ces impacts contribuent modérément à la masse des proto-Jupiter, mais ils les échauffent ! L'accrétion de gaz en est nettement ralentie... Or cette phase indispensable, nouvelle dans les modèles, ne sort pas d’un chapeau.

« Nous nous sommes lancés sur cette piste il y a un peu plus d’un an », se souvient Yann Alibert. Le chercheur assistait alors à une conférence avec une collègue. Un résultat de cosmochimie très intrigant y était présenté... « Des mesures d'abondances isotopiques du platine, du tungstène et du molybdène dans les météorites montraient qu'un million d'années après la naissance du Système solaire, et pendant 2 millions d'années, les petits corps avaient été séparés en deux familles. L'interprétation de l'équipe allemande qui avait fait les mesures était la suivante : Jupiter, en grossissant, avait temporairement créé un barrage gravitationnel dans le disque protoplanétaire du Soleil. C'était étrange car ça ne collait pas du tout avec le modèle standard de la formation des planètes géantes. Pour maintenir cette barrière, il fallait en effet que l'embryon de Jupiter passe par une phase de croissance lente, après avoir rapidement grossi pendant le premier million d'années. Mais comment expliquer cette pause, alors que l'accrétion aurait dû au contraire continuer à accélérer ? Comme les mesures étaient solides, nous avons décidé de chercher une explication... »

Un scénario qui explique aussi Uranus et Neptune ?

À force d'essais, en faisant varier les paramètres de leur modèle, les chercheurs trouvent la solution : si l'embryon croît moins vite après un million d'années, c'est qu'il a atteint une masse suffisante pour, d'une part, troubler le disque alentour au point d'éloigner les « peebles » loin de son orbite, et d'autre part, attirer des planétésimaux. « Le bombardement par les planétésimaux est important car c'est lui qui empêche l'embryon d'accréter de plus en plus vite le gaz tout autour. Dans notre modèle, ces planétésimaux doivent faire 1 km, et non pas 100 km comme ceux qu'on considère habituellement peupler le disque protoplanétaire. Nous pensons que ce sont des fragments de collisions. Elles-mêmes provoquées par les perturbations gravitationnelles liées à la présence de l'embryon », reprend Yann Alibert. Bien sûr, cette phase de croissance lente n'est pas infinie : lorsque la proto-Jupiter atteint une cinquantaine de masses terrestres, son attraction est telle que les « peebles » et surtout le gaz recommencent à pleuvoir. Dans le même temps, le brassage des petits corps reprend et la population des astéroïdes s’homogénéise dans le Système solaire.

Vue d’artiste de la formation du Système solaire. © C&E

Ce nouveau scénario en trois étapes doit-il désormais faire référence ? « En tout cas, il fonctionne quelle que soit la composition du disque protoplanétaire. Il fonctionne aussi si la proto-Jupiter migre dans le disque », note l’astrophysicien. Il pourrait mieux expliquer, aussi, l'existence de planètes comme Uranus et Neptune.

« Jusqu'à présent, pour éviter que les embryons de ces planètes ne deviennent rapidement des Jupiter, il fallait faire l'hypothèse qu'ils s'étaient formés juste avant la dissipation du disque de gaz. Mais il n'y avait aucune raison pour ça. Cela semblait juste être un (double) coup de chance ! » Évidemment, si la croissance des planètes géantes passe par une phase lente, la probabilité de fabriquer des planètes intermédiaires augmente. « Nous sommes en train de faire les calculs pour le vérifier proprement », précise Yann Alibert.

En attendant Juno

Tristan Guillot, lui, est plus prudent. « Ce modèle va dans le bon sens, mais je pense que ce n'est pas le fin mot de l'histoire. Il y a encore énormément de choses que l'on ne comprend pas dans la physique des disques protoplanétaires. » Par exemple, la façon dont les « peebles » s'agrègent les uns aux autres est mystérieuse. D’ailleurs, on ne sait pas trop ce qu'ils sont. Certainement pas des « galets » comme le laisse entendre une traduction brutale, mais plutôt des amas floconneux très sombres... Surtout, « on est en train d'introduire le champ magnétique dans la physique des disques, et cela pourrait changer beaucoup de choses dans les modèles », indique le chercheur. Est-ce que la phase lente réclamée par les mesures de cosmochimie ne s’expliquera pas un jour par un processus totalement différent de celui qu'envisagent Yann Alibert et ses collègues ?

Depuis deux ans, la sonde américaine Juno accumule des mesures de toute sorte pour explorer l’intérieur de Jupiter. Or, la structure interne de la géante et sa composition dépendent directement de la façon dont elle s'est formée. La clef de l'énigme tourne peut-être à 800 millions de kilomètres de la Terre...

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