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On sait Pourquoi les Planètes Survivent à leur Étoile

Jusqu'à récemment, la naissance du système solaire - et de tous les systèmes planétaires - posait un problème insurmontable : en effet, d'après les modélisations informatiques, les planètes auraient dû être précipitées vers le Soleil avant même d'avoir atteint leur taille définitive, il y a 4,6 milliards d'années. Mais un nouveau modèle semble résoudre définitivement ce paradoxe.

"La Terre sauvée". Le titre de la conférence donnée en janvier 2010 par le Brésilien Wladimir Lyra, le Néerlandais Sijme-Jan Paardekooper et l'Américain Mordecai-Mark Mac Low, lors du 215e meeting de la Société astronomique américaine (AAS), était un brin malicieux.

LA TERRE NE DEVRAIT PAS EXISTER

Les trois chercheurs annonçaient ni plus ni moins avoir sauvé la Terre - et toutes les autres planètes du système solaire - d'une chute inéluctable sur le Soleil. Date prévue de ce cataclysme ? 4,6 milliards d'années... en arrière ! Autrement dit, notre planète bleue aurait éçhappé à une catastrophe qui n'a tout bonnement pas eu lieu - et nous sommes là pour en attester ! Au vrai, ce n'est donc pas la Terre que les trois scientifiques ont sauvée de la chute fatale... mais la communauté astrophysique. Car il faut savoir que depuis une vingtaine d'années, tous les modèles informatiques simulant la naissance du système solaire aboutissaient au même scénario catastrophe : toutes les planètes étaient précipitées dans la fournaise solaire bien avant d'atteindre l'âge de raison. Conclusion : Mars, Vénus, Saturne ou la Terre ne devraient pas exister. Pas plus que les "exoplanètes", ces centaines de planètes lointaines que les télescopes et satellites ont découvertes autour d'autres étoiles que le Soleil. Et pourtant, elles existent... Comme une épine dans le pied des calculs scientifiques.
Pendant des années, les astrophysiciens ont tout essayé pour sortir de l'embarras et élaborer un scénario enfin cohérent avec la réalité. Mais sans jamais parvenir à éviter la fiction d'une catastrophe planétaire"... Du moins jusqu'ici. Car lors de leur conférence à l'AAS, Lyra, Paardekooper et Mac Low ont présenté un tout nouveau modèle qui permet aux planètes de sortir enfin indemnes... des calculs informatiques. Ouf ! Voici Mercure, Jupiter, la Terre et toutes les exoplanètes enfin sauvées. Et les astrophysiciens enthousiastes : "Ce nouveau modèle devrait devenir incontoumable pour les chercheurs. Il est basé sur un mécanisme très robuste, et difficile à contester car il ne fait appel à aucune hypothèse artificielle", atteste Alessandro Morbidelli, astronome à l'Observatoire de la Côte d'Azur, et coauteur en 2005 d'un modèle sur l'évolution postérieure du système solaire faisant aujourd'hui référence.
Où le bât blessait-il ? Tout simplement dans le disque de gaz et de poussières, aujourd'hui disparu, qui a enserré les jeunes planètes pendant plusieurs millions d'années après la naissance du système solaire. Freinées par ce milieu dense, celles-ci ont dû progressivement perdre de la vitesse et donc de "l'altitude", se rapprochant dangereusement de leur étoile. Certes, la densité de ce disque gazeux, peu à peu absorbé par le jeune Soleil ou soufflé par le vent solaire, a diminué ; mais pas assez vite pour éviter que les planètes ne finissent brûlées vives moins d'un million d'années après leur naissance. Du moins, c'est ce que les modèles affirmaient jusqu'ici.
Mais une pièce du puzzle manquait aux astrophysiciens, que le nouveau scénario a réussi à dénicher : contre toute attente, les planètes, frêles bouchons de liège pris dans un tourbillon, ont pu remonter les vagues à contre-courant et s'éloigner du danger, à l'image du célèbre baron de Münchhausen s'extirpant lui-même de l'eau par les cheveux !

L'EFFET "SAUNA" PRIS EN COMPTE

Cet acte héroïque fut temporaire - l'effet d'entraînement du disque de gaz vers le Soleil a quand même repris le dessus. Il n'empêche, d'avoir pu s'éloigner du Soleil leur fit gagner un temps précieux de quelques millions d'années, suffisant pour changer le cours de l'histoire, le disque de gaz se dissipant avant qu'elles ne soient précipitées dans la fournaise. Mais comment les planètes ont-elles trouvé la force de fuir, même temporairement ? Grâce à la chaleur piégée à l'intérieur du disque, qui en a fait un véritable sauna. Et c'est justement cet "effet sauna" que les scientifiques avaient jusque-là négligé...
C'est en 2006 que Sijme-Jan Paardekooper et Garrett Mellema, de l'Observatoire de Leiden (Pays-Bas), ont mis le doigt sur cet "effet Münchhausen" planétaire. Alors qu'ils modélisaient le comportement d'une planète plongée dans un disque de gaz, les deux scientifiques ont eu l'idée de changer les paramètres thermiques du disque, comme l'explique Frédéric Masset, chercheur au Service d'astrophysique du Commissariat à l'énergie atomique : "Au lieu de considérer, comme on le faisait d'habitude, l'hypothèse simplifiée d'un disque de gaz évacuant facilement sa chaleur vers l'espace, ils ont supposé, ce qui est bien plus réaliste, que son épaisseur et sa densité rendaient cette évacuation lente et difficile."

DES TURBULENCES DE GAZ

Forts de cette hypothèse, les chercheurs ont alors plongé une planète dans ce sauna gazeux, puis fait tourner la simulation... et ils ont observé que la planète se mettait à migrer vers l'extérieur du disque ! Pour la première fois, une simulation montrait comment les planètes avaient pu se sauver en fuyant vers l'extérieur. Restait à expliquer les raisons physiques de cette fuite à contre-courant. Ce fut notamment le travail de Frédéric Masset et de Clément Baruteau, actuellement astrophysicien à l'université de Californie, à Santa Cruz (Etats-Unis).
En substance, elle découle du jeu de forces gravitationnelles qu'exerce le gaz sur la planète dans ce "sauna" cosmique. En effet, une planète plongée dans le disque crée des turbulences sur son passage qui chassent le gaz. Ce dernier forme alors deux "rides" de gaz dense, de part et d'autre de l'orbite planétaire, l'une extérieure et froide (car plus éloignée du Soleil) et l'autre intérieure et chaude (infographie). Or, par leur densité, ces rides exercent sur la planète des effets gravitationnels : la ride extérieure, située plus loin du Soleil, tourne plus lentement que la planète, son attraction tend donc à la freiner. Au contraire, la ride intérieure, plus proche du Soleil, avance plus vite que la planète, et tend à l'accélérer. Jusqu'ici, les astrophysiciens pensaient que c'était la ride lente (extérieure) qui l'emportait, freinant la course de la planète. Pourquoi ? Parce que, plus froide, sa matière est plus condensée, ce qui augmente sa force d'attraction. Mais le nouveau modèle montre que c'est l'inverse qui se produit : c'est la ride rapide (intérieure) qui domine - durant un certain temps - accélérant la planète et l'envoyant vers une orbite plus haute. Ce changement de rapport de force est justement dû à l'effet "sauna" : comme la chaleur ne s'évacue pas rapidement, un peu de gaz chaud de la ride intérieure a le temps de migrer et de chauffer la ride extérieure (froide). Celle-ci se dilate et perd de la densité : sa force d'attraction gravitationnelle diminue. L'inverse se produit dans la ride intérieure : son attraction augmente. Cette petite variation change tout : in fine, la planète est accélérée et se met à migrer vers une orbite plus haute, CQFD.
Las ! Sauna ou pas, rien n'indiquait encore qu'on puisse "sauver la Terre". Car plus le temps passait, plus le disque se diluait, et moins l'effet sauna devait se faire sentir, laissant la planète dans la configuration classique : un gaz - dilué mais encore "entraînant" - qui la pousse vers le Soleil...

DONNÉES CONCRÈTES DÈS 2011

"En mars 2009, raconte Wladimir Lyra, Mordecai-Mark Mac Law m'a proposé d'intégrer cet effet [sauna] dans une simulation. Finalement, nous avons obtenu un modèle d'évolution sur cinq millions d'années où la Terre ne tombe pas sur le Soleil." Ainsi testé sur des planètes de masses égales à celle de la Terre, dix fois plus légères ou dix fois plus lourdes, et d'éloignement au Soleil variant entre 0,1 et 20 UA (1 UA est la distance moyenne Terre-Soleil, soit 150 millions de kilomètres), le modèle a été formel : grâce à l'effet sauna, la Terre, mais aussi toutes les planètes des systèmes solaires de l'Univers, ont été sauvées !
"On tient-là un filon très puissant, confirme Frédéric Masset, mais il reste des questions copieusement ouvertes, notamment des effets que leur modèle a mis de côté mais qui pourraient modifier le rapport des forces en jeu... Néanmoins, cela ne devrait pas remettre en question leur solution générale au paradoxe du cataclysme planétaire." Maintenant, ce qui manque, c'est une véritable confirmation observationnelle de ces simulations informatiques. "Idéalement, avance Alessandro Morbidelli, il faudrait observer des protoplanètes en phase de migration vers la périphérie du disque, ce qui est impossible avec les moyens actuels... Peut-être vers la fin du XXIe siècle ?" En attendant, le projet de radiotélescope Alma, au Chili, devrait apporter quelques données concrètes à partir de 2011 (photo), confirmant que l'épaisseur et l'opacité des disques gazeux permettent la mise en place d'un effet sauna. De quoi alimenter ce nouveau filon dans lequel tous les astronomes vont dorénavant s'engouffrer.

 R.I. - SCIENCE & VIE > Mai > 2010
 

   
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