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leçon 3
DE L ’ORIGINE DU
SYSTEME SOLAIRE
QUELLES SONT LES INTERROGATIONS?
Questions choisies:
- comment s ’est formé le soleil?
- comment se sont formées les planètes?
- pourquoi des planètes géantes et des planètes telluriques?
Plan de la leçon
- 3.1 La galaxie du Soleil
- 3.2 Formation de l ’étoile et du disque protoplanétaire
- 3.3 Structure interne et champ magnétique du soleil actuel
- 3.4 La formation des planétes
- 3.5 La formation ratée d’une planète: la ceinture d’astéroïdes
- 3.6 Les astéroïdes hors des planètes: les comètes
- 3.7 La structure actuelle du système solaire
- 3.8 Les planètes gazeuses géantes
- 3.9 Les planètes telluriques
3.1 LA GALAXIE DU SOLEIL
La Voie Lactée
- un peu d ’histoire des sciences:
- Galileo Galilei
- Johannes Kepler
- Isaac Newton
- Pierre-Simon Laplace
- quantité de mouvement et moment angulaire
- la Voie Lactée et le Soleil
3.1.1
GALILEO GALILEI 1564-1642
LE PERE DE L ’ASTRONOMIE
Le physicien
Du haut de la tour de Pise, Galilée
constate que tous les corps tombent
à la même vitesse….
L ’astronome
Utilisation de la lunette
Observation de la Lune (cratères)
Découverte des satellites de Jupiter
3.1.2
JOHANNES KEPLER (1571-1630)
LA MARCHE DES PLANETES
MYSTERIUM COSMOGRAPHICUM
1596
3.1.3
ISAAC NEWTON 1643-1727
LE GRAND MECANICIEN
1ere loi: Principe d ’inertie
Tout objet en état de mouvement
rectiligne uniforme et soumis à aucune
force extérieure, conserve son mouvement
dans un repère galiléen.
2eme loi: Principe de la dynamique
F=mg
m: masse; g: accélération
3eme loi: principe de réaction
Tout corps soumis à une force exerce
en retour une force de même intensité
et de direction opposée
PHILOSOPHIA NATURALIS
PRINCIPIA MATHEMATICA
1687
La force de gravitation
Fg = G mM/R2
G: constante de gravitation universelle
6,67259 10-11 m3kg-1s-2 ou N m2 kg-2
3.1.4
L ’ORIGINE DU SYSTEME SOLAIRE: UNE VIEILLE QUESTION
Pierre-Simon Laplace
(23 mars 1749 - 5 mars 1827)
3.1.5
PETIT RAPPEL DE PHYSIQUE: LE MOMENT ANGULAIRE
ET LA QUANTITE DE MOUVEMENT
quantité de mouvement p = produit de la masse par la vitesse. Comme la vitesse, c'est une grandeur
vectorielle. L'unité SI de la quantité de mouvement est le newton-seconde, c'est-à-dire kg.m.s-1.
Le moment angulaire L joue un rôle analogue à la quantité de mouvement dans le cas
des rotations. Comme le moment angulaire est dépendant du choix de l'origine,
il faut toujours spécifier cette origine et ne jamais combiner des moments angulaires
ayant des origines différentes. La définition mathématique du moment angulaire
d'une particule autour d'une certaine origine est la suivante: Jz = r×p
z
où Jz est le moment angulaire de la particule, r est le
Jz
vecteur de position de cette particule par rapport à
l'origine et p est la quantité de mouvement de la
p
particule à cette position. Si on ignore la nature
vectorielle, le moment angulaire devient alors
simplement: Jz
= |r||p|sinθ
où θ est l'angle entre x et r mesuré de r vers p.
θ
x
r
m
y
Moment d ’inertie: I = mr2 donc J = Iw
w = vitesse angulaire
3.1.6
LA VOIE LACTEE ET LE SOLEIL
Le Soleil est à 1.8 109 AU du centre de la
Voie Lactée. Il appartient au bras d’Orion.
1 UA = distance Terre-Soleil = 1,5 1011 m
Masse du disque de la galaxie: 200 109 masses solaires
Masse du noyau de la galaxie: 1012 masses solaires
3.1.7
LE MOUVEMENT DU SOLEIL DANS LA VOIE LACTEE
Le Soleil effectue une
rotation complète dans la
galaxie en 240 Ma à la
vitesse de 220 km s-1. Il
tourne beaucoup plus vite
que les bras spiraux de la
Galaxie qui font un tour
complet en 500 Ma.
Remarque: ce mouvement qui lui fait traverser les « bras » de la galaxie est peut-être à
l’origine des changements climatiques sur Terre (site web: Svenmark).
3.2 FORMATION DE L ’ETOILE ET DU
DISQUE PROTOPLANETAIRE
- origine 1 de l’étoile: onde de choc dans la galaxie
- origine 2 de l’étoile: onde de choc d ’une supernova
- la supernova Coatlicue
- étoile et disque d ’accrétion
- l ’époque T-Tauri du Soleil
- le vent solaire
- interactions entre le disque protoplanétaire et le jeune soleil
- composés réfractaires et volatils
- résumé 1: structure du disque d ’accrétion
- l ’évolution du disque d ’accrétion
- résumé 2: la théorie de la nébuleuse solaire
- le voyage de l’étoile T-Tauri dans sa galaxie
3.2.1
ORIGINE 1 DE L’ETOILE:
ONDE DE CHOC DANS LA GALAXIE
L ’onde de choc provoquée par la
traversée du bras de la spirale
provoque la condensation du nuage
protosolaire
3.2.2
ORIGINE 2 DE L’ETOILE:
ONDE DE CHOC D ’UNE SUPERNOVA
Après le passage
de l’onde choc de
la Supernova, le
nuage s’effondre
sur lui-même pour
donner naissance
au système solaire.
supernova
onde de choc
3.2.2b
LA SUPERNOVA COATLICUE
Demi-vie 26Al: 1 million d'années
Le Soleil est « au milieu de sa vie »,
ayant parcouru vingt fois le tour de
notre Galaxie depuis sa naissance
Étoile massive (~30Mo)
Gaz d’hydrogène froid
Deharveng et al. (2010)
Astronomy & Astrophysics 523, A6
L'26Al des météorites proviendrait du
vent d'une étoile massive née quelques
millions d'années avant notre Soleil.
Coatlicue (la mère du Soleil dans la
cosmogonie aztèque), environ trente fois
plus massive que le Soleil, est née en
même temps qu'environ 2 000 autres
étoiles. Elle était l'étoile la plus massive
de sa génération. Elle est morte depuis
dans une gigantesque explosion de
supernova.
Matthieu Gounelle & Georges Meynet.
Astronomy & Astrophysics 545, A4 (2012)
3.2.3
ETOILE ET DISQUE D ’ACCRETION
Le moment angulaire du nuage est conservé
b Pictoris
un globule s'ef f odre
un dis que s e f orme
dans le plan équatorial
la c ontrac tion prov oque
l'éjec tion de matière dans
les régions polaires
Les deux jets bipolaires ont
une v ites se d'évas ion de 200 km/s
10 5 à 10 6ans
accrétion du Soleil
environ 50 000 ans
activité T-Tauri
10 6 à 107 ans
gas disks around young stars dissipate in 106
– 107 yr
3.2.4
L ’EPOQUE T-TAURI DU SOLEIL
Herbig-Haro 30
Jet: 300 km s-1
Le soleil est resté au stade T-Tauri
pendant 106 à 107 années.
Luminosité: 103 à 104 luminosité actuelle
Luminosité dans le domaine des rayons X
1 milliard d ’années avant d ’arriver sur la
séquence principale (fusion de l ’hydrogène
en hélium - Hans BETHE). Les planètes sont
déjà formées
3.2.5
LE VENT SOLAIRE
Intense émission de rayons X
Les lignes de champ
magnétique se reconnectent
sur elles-mêmes. L ’énergie
magnétique accumulée se
libère en chauffant
brusquement le gaz du disque
à plusieurs millions de degrés.
Ce gaz en se refroidissant émet
des rayons X.
3
1
5
5
4
soleil 2
4
1
2
3
3.2.6
INTERACTIONS ENTRE LE DISQUE PROTOPLANETAIRE ET
LE JEUNE SOLEIL
Modèle accrétion-éjection
vent coronal
CAI: calcium-aluminium inclusion
vent coronal
CAI Précurseurs
vent rayons X
Chondrules:
gouttes de matière
fondue
chondrules
soleil
disque d'accrétion
RX faibles
anneau de
reconnection
region X-Ray
Effets des rayonnements X: réactions de
spallation dont les preuves sont dans les
radioactivités éteintes
3He + 24Mg  26Al + p+
26Al  26Mg + e- + g (1.8 MeV)
3.2.7
COMPOSES REFRACTAIRES ET VOLATILS
enlève du moment angulaire
As the nebula collapses,
it heats up, spins faster,
and flattens.
3.2.8
RESUME 1: STRUCTURE DU DISQUE D ’ACCRETION
matière du nuage
moléculaire géant
attirée vers le disque
proto-solaire (gaz et
poussières)
radiation
thermique
Nébuleuse solaire
externe: mélange
de matière provenant
du nuage moléculaire
et de la zone interne
transformée par les
radiations solaires
zone active
chimiquement
Protubérances
coronales
ligne de gel
Proto-soleil
astéroïdes
nébuleuse
Proto-jovienne
radiations solaires
UV + visible
transport de
matière et de
moment angulaire
nébuleuse
Proto-saturnienne
1 AU
distance Terre-Soleil
3.2.9
L ’EVOLUTION DU DISQUE D ’ACCRETION
1 - le vent solaire chasse les composés
réfractaires vers les zones froides
externes
2 - en se formant, les planétésimaux
absorbent comme un « aspirateur » les
poussières du disque d ’accrétion
3.2.10
RESUME 2: The Nebular Theory* of Solar System Formation
Interstellar Cloud (Nebula)
*It
is also called the
‘Protoplanet Theory’.
Gravitational Collapse
Protosun
Protoplanetary Disk
Condensation (gas to solid)
Leftover Materials
Metal, Rocks
Accretion
Gases, Ice
Nebular Capture
Asteroids
Heating  Fusion
Sun
Leftover Materials
Comets
Terrestrial
Planets
Jovian Planets
3.2.11
LE VOYAGE DE L’ETOILE T-TAURI DANS SA GALAXIE
220 km s-1
Orion Proplyd
Modelage externe: Photoévaporation de la Proplyd?
3.3 STRUCTURE INTERNE ET CHAMP
MAGNETIQUE DU SOLEIL ACTUEL
protubérance
chromosphère
- la structure interne actuelle du soleil
- équilibre hydrostatique et température
- le champ magnétique actuel du soleil
- taches solaires et protubérences
- le vent solaire actuel
3.3.1
LA STRUCTURE INTERNE ACTUELLE DU SOLEIL
Rayon: 700 000 km
Température calculée par la
loi de Stefan-Boltzmann:
E = sT4 soit 5780 K
s constante de Stephan-Boltzmann:
5,67 1O-8 SI
15.6 106 K
Le rayonnement du Soleil:
- 40% visible
- 50% infrarouge
- 10% ultraviolet
5800 K
La constante solaire F est
l ’énergie reçue à chaque
seconde par 1 m2 de la
surface de la Terre (1 UA;
perpendiculairement; sans
atmosphère):
F = 1365  0,5 W m-2
3.3.2
EQUILIBRE HYDROSTATIQUE ET TEMPERATURE
Chromosphère: 5800 K - émet dans le visible
Couronne: 15.6 106 K - émet dans les rayons X
3.3.3
LE CHAMP MAGNETIQUE ACTUEL DU SOLEIL
Le champ magnétique du Soleil présente
une structure spiralée due à sa rotation. Le
Soleil ne tourne pas comme un corps
solide: 25,4 jours à l ’équateur contre 36
aux pôles. Les lignes de forces se replient
sur elles-mêmes et forment des boucles.
Le champ magnétique est très fort dans
les taches noires; il bloque les cellules de
convection.
3.3.4
TACHES SOLAIRES ET PROTUBERENCES
Région plus froide de la photosphère
Le nombre de
Gaz refroidi piégé dans les
taches solaires
lignes de champ magnétique varie avec un
cycle de 11 ans.
Ce cycle fut
interrompu entre
1650 et 1700
(minimum de
Maunder ). En
France c ’est le
petit âge
glaciaire).
Aurores boréales
Laponie
protons + électrons
3.3.3
LE VENT SOLAIRE ACTUEL
Terre
La couronne solaire est très chaude (1 à 2 millions de degrés). L ’agitation thermique
est telle que les particules (protons, électrons) s ’échappent: (3kT/m)1/2 > (2GM/R)1/2 .
2 millions de tonnes par seconde sont canalisés par les lignes de champ magnétique
(0,1 % de la masse du Soleil depuis 5 Ga).
3.3.4
LA LUMINOSITE DU SOLEIL DEPUIS L’EPOQUE T-TAURI
Pourquoi la luminosité augmente-t-elle?
H fuses to form He in the core
Core becomes denser
Core contracts and heats up
Fusion reactions proceed faster
More energy is produced 
more energy needs to be
emitted
D’après D.O. Gough, Solar Phys. (1981)
3.4 LA FORMATION DES PLANETES
- la séquence de condensation
- l ’origine de l ’eau dans le système solaire
- planétésimaux rocheux et glaces: la ligne de gel
- les mécanismes de l ’accrétion 1: attractions non gravitaires
- les mécanismes de l’accréation 2: attractions gravitaires
- l’emballement gravitationnel
- la formation de Jupiter
age of solar system is 4.567  0.02  109 yr
3.4.1
LA SEQUENCE DE CONDENSATION
2000
La flèche symbolise un
refroidissement adiabatique
olivine
température (°K)
1500
Refroidissement adiabatique:
pas d ’échange de chaleur
avec l ’extérieur du système
réfractaires
fer, nickel
feldspath
1000
FeS
amphibole
500
FeO
serpentine
eau
-8
-6
-4
log P (bars)
-2
0
Poussière cosmique environ 10 µm
3.4.2
L ’ORIGINE DE L’EAU DANS LE SYSTEME SOLAIRE
Nouvelle définition de l'Unité Astronomique : 149 597 870 700 mètres exactement
Variation du rapport D/H de la glace calculé en fonction de
la distance au Soleil ou de son équivalent: le temps


correspond pas à sa distance
(1 UA). La glace a donc été
apportée de zones plus froides:
l’eau terrestre est apportée par
chondrites et comètes.
LL3 chondrites


f=(D/H)H2O / (D/H)H2
distance héliocentrique (AU)
Le rapport D/H initial de la
40
16
7.5 4
1.5
glace du milieu interstellaire
froid est identique à celui de la 92
glace du milieu
Chondrite Semarkona
chondrite Semarkona. A mesure
interstellaire froid
argiles
que la nébuleuse se refroidit, la 30
transition gaz solide se
grains
25
produit de plus en plus près du
Soleil.
grains
20 Courbe de
condensation
D / H H 2O
f =
15 de la nébuleuse
D / H H2
comètes
grains
10
Le rapport D/H de la Terre ne
GLACE
f
GAZ
f=6
TERRE
5
0
chondres
3
10
4
10
5
10
âge (en années)
6
10
7
10
3.4.3
PLANETESIMAUX ROCHEUX ET GLACES:
la ligne de gel
Les planètes formées à partir des planétésimaux condensés près du soleil sont rocheuses alors
que celle formées loin de lui sont riches en gaz et en glaces.
3.4.4a
LES MECANISMES DE L ’ACCRETION 1:
attractions non gravitaires
force électro-statique
et force de Van der
Waals
Planetary embryos embedded in a gas disc suffer a decay
in semi-major axis because of the asymmetric torques
produced by the interior and exterior pressure wakes
raised by the body in the gas.
3.4.4b
LES MECANISMES DE L ’ACCRETION 2:
attractions gravitaires
Au sein d’une nébuleuse jeune riche en gaz et poussières avec une étoile jeune en son
centre, les planétésimaux sont métriques à hectométriques.
Clumps larger than ~ 1 km will begin
to affect each other gravitationally,
increasing interaction and accelerating
the growth of clumps. This is most
likely to happen where solid clumps
have accumulated just outside the
“snow-line”.
Solid clumps with masses exceeding
~ 10 Earth’s are capable of accreting
gas and experience runaway growth
and rapidly clear an annulus ring in
the planetary disk of dust and gas.
3.4.5
L’EMBALLEMENT GRAVITATIONNEL
Plus tard dans l’histoire de la nébuleuse et rapidement, en 105 ans:
- moins de gaz et de poussières.
- planétésimaux moins nombreux et plus gros; accrétion dominée par la gravité
- leur taille varie du kilométre à des centaines de kilomètres.
Fg = G mM/R2
G: constante universelle de
gravitation 6.67 10-11 N m2 kg-2
3.4.6
ATTRACTION GRAVITAIRE DES PLANETESIMAUX:
la formation des planètes
Plusieurs petites planètes sur
l’orbite de la Terre
À la fin de l’accrétion, les planétésimaux ont formé des planètes de taille comprise entre
des centaines et des milliers de km de diamètre. Les impacts jouent un rôle important
dans la croissance des planètes et même … pour l’origine de la Lune.
3.4.7
LA FORMATION DE JUPITER
1 Jupiter mass (MJ) = 0.001 M =
318 Earth masses
Arrêt de croissance
appauvrissement du
disque
Accrétion
rapide de gaz
Emballement
de l ’accrétion
La plus grosse planète du
système solaire:
une étoile avortée?
3.5 LA FORMATION RATEE D’UNE
PLANETE: LA CEINTURE D’ASTEROIDES
- les astéroïdes entre Mars et Jupiter
- les différents types d’astéroïdes
- la sonde NEAR se pose sur EROS un astéroïde de type S
- les planétésimaux différenciés
- l’organisation originelle de ceinture d’astéroïdes
- découverte de comètes dormantes dans la ceinture d’astéroïdes
- nouveau modèle de formation du système solaire (modèle de Nice)
3.5.1
LES ASTEROIDES ENTRE MARS ET JUPITER
5 AU
Vue en coupe  de la ceinture
d’astéroïdes
3.5.2
LES DIFFERENTS TYPES D’ASTEROIDES
S-types, silicate rich, rocky,
near Mars (75%)
C-P-D-types, carbon rich,
lower density, further out
(15%)
M-types, metal rich, various
distances (10%)
3.4.6
La sonde NEAR se pose sur
EROS un astéroïde de type S:
33  13  13 km
16 février 2001
3.5.3
LES PLANETESIMAUX DIFFERENCIES
• Irons represent two-thirds of the unique parent bodies represented in our
meteorite collection.
• They sample the cores of small differentiated asteroids (D < 200 km) and are ~12 My older than chondrules.
• Collisions of some form are needed to extract core material from their parent
bodies.
– This should produce mantle (olivine) and crust (basaltic) fragments.
From Willian Bottke, Southwestern Research Institute, Boulder, Colorado, USA
3.5.4
L’ORGANISATION ORIGINELLE DE LA CEINTURE
D’ASTEROIDES
“Early” Main Belt
Carbonaceous
chondrites
Ordinary chondrite
S C P
Semimajor axis (AU)
• The early main belt was stratified into more heated (S, C) and more
primitive (C, D/P) taxonomic groups.
From Willian Bottke, Southwestern Research Institute, Boulder, Colorado, USA
3.5.5
DECOUVERTE DE COMETES DORMANTES DANS LA
CEINTURE D’ASTEROIDES
P/D-type asteroids are low
albedo objects with flat-tored featureless spectra. They
are similar to dormant
comets
M
Levison et al., Nature, Vol 460| 16 July 2009|
3.5.6
NOUVEAU MODELE DE FORMATION DU SYSTEME SOLAIRE
(MODELE DE NICE)
Comets
• Old view. Gas giants/comets formed near present locations (5-30 AU)
and reached current orbits ~4.5 Gy ago.
Primordial disk of comets
• New view. Gas giants formed in more compact formation between 515 AU. Massive comet population of ~35 Earth masses existed
between 16-30 AU.
Nous reviendrons sur le changement d’orbites des planètes dans les leçons 4 et 6
3.6 LES ASTEROIDES HORS DES
PLANETES: LES COMETES
- La migration des planètes gazeuses
- Les planétésimaux glacés: la ceinture de Kuiper
- Pluton-Charon: le problème
- Planètes naines et transneptuniens
- Les confins du système solaire
Mission PLUTO
janvier 2006
3.6.1
LA MIGRATION DES PLANETES GAZEUSES
Asteroid
Belt
Comet
Disk
• As the planets migrated, so did their resonances.
• Many asteroids (~90%) and most comets were lost
by planetary interactions and sweeping
resonances.
Gomes, Icarus 2003; Levison & Morbidelli, Nature 2003)
3.6.2
LES PLANETESIMAUX GLACES: LA CEINTURE DE KUIPER
Les planétésimaux au-delà de Pluton: des comètes
3.6.3
PLUTON-CHARON: LE PROBLEME
- orbite faisant un angle de 17° sur le plan de l ’écliptique
- le couple Pluton-Charon est peut-être dû à un choc de planétoïdes
- ces corps astraux sont peut-être des éléments de la ceinture de Kuiper
Un choc similaire sera à l ’origine de la Lune: modélisation du choc
Mission PLUTO
janvier 2006
3.6.4
PLANETES NAINES ET TRANSNEPTUNIENS
Triton (capture
d’un
transneptunien
par … Neptune)
Pluton
2300 km
Quaoar
1200 km
Lune
3500 km
Terre
12800 km
Le plus distant (76-943 UA,
P=11500 ans);actuellement à 90 UA
L’un des plus rouges
L’un des plus gros (taille de
Charon?)
Sans interaction avec Neptune!
Sedna (vue d’artiste)
Origne: passage de l’étoile qui a
tronqué le disque?
3.6.5
LES CONFINS DU SYSTEME SOLAIRE:
ceinture de Kuiper et nuage de van Oort
Les cométes stockées dans la ceinture de Kuiper et
dans le nuage de van Oort sont les résidus de la
nébuleuse protoplanétaire. Elles représentent donc
le matériau le plus primitif du système solaire (voir
Leçon 4).
•
LA CEINTURE DE KUIPER
•
Oort cloud:
– ~1012 comets of 1 km or larger
– radii >104 AU
– approximately spherical
– source of long-period comets (P > 200 yr)
– short-period comets (200 yr > P > 20 yr)
Kuiper belt
– ~109 comets
– radii > 35 AU
– flattened disk
– source of Jupiter-family comets (P < 20 yr)
3.7 STRUCTURE ACTUELLE DU SYSTEME
SOLAIRE
corps astral
de la ceinture
de Kuiper?
- masse et composition chimique des planètes du système solaire
- les lois de Kepler: 1ere loi
- les lois de Kepler: 2eme loi
- les lois de Kepler: 3eme loi
- la structure du système solaire
- les confins du système solaire: ceinture de Kuiper et nuage de van Oort
- et si les planètes avaient changé d’orbite!
3.7.1
LE SYSTEME SOLAIRE
% masse totale
soleil
99.80
jupiter
0.10
comètes
0.05
autres planètes
0.04
satellites et anneaux 0.00005
astéroïdes
0.000002
poussières
0.0000001
planets account for < 0.2% of mass of solar system
but > 98% of angular momentum
planetary orbital angular momentum is close to direction of Sun’s
spin angular momentum (within 7o)
3.7.2
LES LOIS DE KEPLER: 1ere LOI
a
b
l’orbite d’une planète ou comète autour du soleil est une ellipse dont le centre de masse
du soleil est l’un des foyers. L’équation d’une ellipse est:
2
2
x
y

=
1
2
2
a
b
3.7.3
LES LOIS DE KEPLER:
2eme LOI
Une ligne joignant la planète ou comète au soleil couvre des surfaces égales pour
des intervalles de temps égaux.
La planète ou comète va donc plus vite dans la portion d’ellipse proche du soleil
(périhélie)
3.7.4
LES LOIS DE KEPLER: 3eme LOI
le carré de la période des planètes est
proportionnel au cube du demi-grand
axe de leur orbite
Planet
P (yr)
a (AU)
T2
R3
Mercury
0.24
0.39
0.06
0.06
Venus
0.62
0.72
0.39
0.37
Earth
1.00
1.00
1.00
1.00
Mars
1.88
1.52
3.53
3.51
Jupiter
11.9
5.20
142
141
Saturn
29.5
9.54
870
868
3.7.5
LE SYSTEME SOLAIRE KEPLERIEN – 1 – la révolution
GM 2
R = 2 P
4π
3
1 UA = distance Terre-Soleil = 1,5 1011 m
3.7.6
LE SYSTEME SOLAIRE KEPLERIEN – 1 – la vitesse orbitale
GM
v=
R
3.7.7
LA STRUCTURE COMPLETE DU SYSTEME SOLAIRE
1 UA = distance Terre-Soleil = 1,5 1011 m
3.8 LES PLANETES GAZEUSES GEANTES
- La structure interne des géantes gazeuses
- Jupiter et ses satellites
- Saturne (la mission Voyager)
- la structure des anneaux de Saturne
- Neptune et Uranus
- pluton-charon: le problème
3.8.1
LA STRUCTURE INTERNE DES GEANTES GAZEUSES
atmosphère gazeuse
hydrogène moléculaire liquide
hydrogène métallique liquide
eau, méthane, ammoniaque liquides
noyau rocheux
3.8.2 JUPITER ET SES SATELLITES
missions Pioneer 11 et 12
Voyager 1 et 2
Galileo 1995-2003
Rotation rate is
about 10 hours
Differential
rotation (different
parts rotate at
different rates)
Produces
turbulence, and
storms
60 moons
A storm that has
been going on for
nearly 400 years
2-3 x size of the
Earth
Les anneaux de Jupiter
Une page de Galilée:
la découverte des
satellites de Jupiter
IO le monde volcanique
EUROPA le monde glacé
GANYMEDE
Surface d ’érosion?
CALLISTO la lune cratérisée
Basin du VALHALA - 1500 km
3.8.3 SATURNE
(les missions Voyager et Cassini-Huygens)
Roches et glaces fragmentées
par l’énorme effet de marée
présence de plusieurs satellites
LA STRUCTURE DES ANNEAUX DE SATURNE
LES ANNEAUX INTERNES DE SATURNE:
une expérience multispectrale
La division de Cassini
Origine des
anneaux: une lune
détruite par l’effet
de marée
D
C
B
A
UV
IR
Vis
Radio
Résolution: 10 m
Les anneaux sont composés
de poussières et de blocs de
glace et de roches
Ils se régénèrent
LA MISSION CASSINI-HUYGENS SUR SATURNE ET TITAN - janvier 2005
Océan d ’hydrocarbures
3.8.4
NEPTUNE ET URANUS
Neptune
John Couch Adams
Urbain Le Verrier
Johann Galle
Voyager 2 1986
Uranus
1781 by William Herschel
3.8.5a
ANNEAUX ET SATELLITES DES PLANETES GAZEUSES
L’EXEMPLE D’URANUS
3.8.5b
ANNEAUX ET SATELLITES DES PLANETES GAZEUSES
A. Crida & S. Charnoz, - 2012 - Formation of Regular Satellites from Ancient Massive Rings in the Solar
System, Science, Vol. 338 no. 6111 pp. 1196-1199 .
3.9 LES PLANETES TELLURIQUES
- Mercure (mission Mariner)
- Venus (missions Vega, Magellan)
- Mars (Spirit, Opportunity, Mars Express)
- la structure interne des planètes telluriques
- petite chronologie de la formation des planètes
3.9.1
MERCURE (mission Mariner)
- Pas d ’atmosphère
- température jour: 700 K
- température nuit: 100 K
- Noyau proportionnellement plus
important que celui de la Terre
- Surface entièrement cratérisée
Comme la Terre, Mercure a subi un impact gigantesque mais axial et non tangentiel.
Une grande partie du manteau arraché a été perdue d ’où l ’importance relative du noyau
3.9.2
MERCURE (mission Messenger)
Novembre 2012: Cartograhie de Messenger combinée aux observations Arecibo.
De la glace d’eau (jaune) dans les crères d’impact météoritiques situés dans la zone
à l’ombre du Soleil (rouge). L’eau est apportée par des astéroïdes.
3.9.2
VENUS (mission Magellan)
L ’atmosphère de Venus
96% CO2
3,5% N2
3.9.3
VENUS (missions Venera 1976, Pioneer 1978, Magellan 1990-94)
Reconstitution 3D de la surface de Venus
Volcan Petal à la
surface de Venus
- pas de tectonique des plaques
- cratères d ’impact plus visibles que sur Terre
- grands édifices volcaniques
3.9.4
MARS (nombreuses missions)
Atmosphère:
95% CO2
2,7% N2
1,6% Ar
0,015% O2
Est-ce un ruissellement d ’eau?
Volcans boucliers
Rift: Valles Marineris
1 seule plaque tectonique
L ’énorme Olympus Mons
Diamètre: 500 km
Hauteur: 27 km
SPIRIT - OPPORTUNITY MISSION
• Launched in June and July of 2003
• arrival at Mars – January 2004
• Each Rover weighs 180 kg, is ~5 ft high
• surface exploration: travels 100m per day
LA MISSION MARS-EXPRESS:
OMEGA (spectrométrie infrarouge)
à la recherche des minéraux formés
par altération des roches
- minéraux hydratés: LES ARGILES
- sulfates
MARS EXPRESS:
Radar Experiment
• Radar reflection signal of water is
very different from rock
• Echoes can differentiate between
rock and ice or water
• Radar transmitter operates at 1-2
MHz and penetrates ground to
several km depth
• Probably cannot distinguish
between CO2 and H20.
La quête du Graal: Y-a-t-il eu
de l ’eau liquide sur Mars?
Si oui, la probabilité d ’une
existence de vie extraterestre
augmente considérablement.
3.9.5
LA GEOLOGIE DE MARS
Une seule plaque tectonique. La conséquence est la formation d ’énormes volcans
boucliers sur les points chauds: Olympus Mons.
3.9.6
LA MISSION CURIOSITY DANS LE CRATERE GALE
3.9.6
LA STRUCTURE INTERNE DES PLANETES TELLURIQUES
mass (10 24 kg)
Les planètes telluriques
Terre 6378 km
MERCURE
0.335
VENUS
4.87
TERRE
Vénus 6050 km
Lune 1738 km
LUNE
MARS
5.98
0.074
densité kg dm-3
5.4
5.2
5.5
3.3
3.9
0.642
Mars 3398 km
Mercure 2439 km
JUPITER
1900
atmosphère
silicate
metal
1.9
3.9.7
RESUME : LES ETAPES DE LA FORMATION
DU SYSTEME SOLAIRE
Allumage
de la
réaction
nucléaire
H  He:
109 yr
Séquence
principale
3.9.8
PETITE CHRONOLOGIE DE LA FORMATION DES PLANETES
EVENEMENTS
AGE
Sédimentation des poussières du disque
Formation des planétésimaux (taille  10 km)
Planétésimaux de 50 à 500 km
Emballement de l ’accrétion, embryon de Jupiter
Formation d ’une trentaine de protoplanètes dans la
zone des planètes telluriques (taille de la Lune à Mars)
Emballement de l ’accrétion, embryon de Saturne
Fin de la dissipation du gaz nébulaire
Emballement de l ’accrétion, embryon d ’Uranus
Emballement de l ’accrétion, embryon de Neptune
Accrétion à 99% de la Terre
Bombardement cométaire de la Terre terminé à 99%
0 ans
10 000 ans
100 000 ans
1000 000 ans
1000 000 ans
2000 000 ans
5000 000 ans
7000 000 ans
14000 000 ans
40000 000 ans
1 milliard ans
4.57 Ga
La prochaine leçon:
Structure interne d ’une météorite
de type chondrite
100 µm
COMETES ET METEORITES,
LES MATERIAUX DES PLANETES
Richard KERR 2011 Science, 332, 1255.
Le monde fascinant de Titan,
révélé par la mission Cassini-Huygens
Vue stéréoscopique du site d’atterrissage de Huygens (point rouge),
et environnement local en encadré.
Lacs de méthane vers 80° de latitude Nord, images Radar en fausses couleurs
Soleil
2.7.5
LES ORBITES DES PLANETES DU SYSTEME SOLAIRE
mars
Terre
VENUS
MERCURE
PLUTON
17°
SARURNE
Au-delà de Pluton (ou de la dixième
planète découverte récemment), de
nombreuses comètes orbitent autour
du Soleil dans le plan de
l ’écliptique. C ’est la ceinture de
Kuiper.
JUPITER
NEPTUNE
1 UA = distance Terre-Soleil = 1,5 1011 m
URANUS
Venus
• Thought to have
volcanism
• Different
convection cells
different plates
• Thick atm. Causes a
runaway greenhouse
3.7.5
ET SI LES PLANETES AVAIENT CHANGE D’ORBITE!
Collisions - captures
Migration des orbites
Inversion probable de neptune et uranus
The faint young Sun problem
Te = effective radiating temperature = [S(1-A)/4s]1/4
TS = average surface temperature
Kasting et al., Scientific American (1988)