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LE SYSTÈME SOLAIRE
I‐Formation du Système solaire
1‐Âge. Les chondrites sont des météorites (petit caillou tombant sur la Terre depuis l’espace) qui se sont
formés à la formation du Système solaire. Ils ont donc le même âge. Ils ont été datés par la radioactivité à
4,566 ±0,002 milliards d’années.
2‐Formation. Le Système solaire s’est formé par l’effondrement gravitationnel, en 100 000 ans environ,
d’un immense nuage de gaz et de poussière faisant partie d’une nébuleuse. On peut donner comme
exemple de tels nuages s’effondrant, les piliers de la création dans l’amas ouvert d’étoiles M16 enveloppé
par la nébuleuse de l’Aigle à6500 années‐lumière de la Terre. Il naît en effet au même moment, de ce
nuage, plusieurs milliers d’étoiles regroupées dans le ciel, qui constituent un amas ouvert. L’amas ouvert
le plus facile àvoir dans l’hémisphère nord est celui des Pléiades. L’image ci‐dessous, obtenue avec le
télescope spatial Hubble, est celle des piliers de la création.
L’effondrement peut être causé par l’onde de choc d’une supernova (étoile qui explose en fin de vie), ou
par le choc de deux tels nuages. Au centre se forme l’étoile, notre soleil. L’énergie gravitationnelle se
transforme en chaleur. Quand le cœur atteint 15 millions de degrés, la réaction nucléaire transformant
l’hydrogène en hélium et dégageant une énergie considérable se déclenche dans le cœur du soleil.
Le grand philosophe Immanuel Kant est le premier àavoir eu l’idée de cette formation du Système solaire
par l’effondrement gravitationnel d’un nuage moléculaire de gaz et de poussière. Il publia ces idées dans
l’ouvrage Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels, c’est‐à‐dire Histoire Universelle de la
Nature et Théorie du Ciel,en 1755 à31 ans. Lors de l’effondrement il suggéra à juste titre que la rotation
s’amplifie et que le disque devient plat. La région centrale forme le Soleil tandis que ce qui reste dans le
disque forme les planètes. Kant avait lu les Principia de Newton et étudié les effets des marées sur la
rotation de la Terre. Laplace reprit d’une manière plus quantitative ces idées en 1796 à47 ans dans
Exposition du système du monde.Mais il pensait àtort que les planètes furent éjectées du Soleil par la
force centrifuge, lors de sa formation. Kant pensait au contraire àjuste titre que les planètes se formèrent
directement à partir du disque, et l’avenir lui donna bien raison.
Kant fut également le premier à considérer à juste titre, que certaine nébuleuses vues dans le ciel, comme
la nébuleuse d’Andromède (appelée maintenant la galaxie d’Andromède) étaient des galaxies comme la
Pierre BOUTELOUP
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nôtre,laVoieLactée.Àcetteépoque,lesphilosophess’intéressaientauxsciencesdelanature.Tandisque
Sartreparexempleneconnaîtrienauxsciencescommeonlevoitenlisantlesphrasesconstellées
d’erreursquandilenparle.Sartreaunephilosophiedessciencespositivistepureetdurecommeonlevoit
danslaphrasetiréedel’ÊtreetleNéant:Lapenséemodernearéaliséunprogrèsconsidérableen
réduisantl’existantàlasériedesapparitionsquilemanifestent.Sartredansl’Existentialismeditquela
naturehumaineestunconceptinexistant,niantainsinotredéterminismebiologiqueetgénétique.
3‐Aplatissement.Silenuagenetournepassurlui‐même,toutelamatières’effondreaucentreenune
étoilesansplanète.Silenuagetournesurlui‐même,lamatièredansleplanperpendiculaireàl’axede
rotationetpassantparlecentredegravité,estsoutenueparlaforcecentrifuge.Parcontre,lamatièreen
dehorsdeceplan,oscilledepartetd’autredeceplan.Àchaquefoisqu’elletraverseceplan,le
frottementaveclenuagedegazetdepoussièrelaralentit.L’oscillationtransverseparrapportàceplan
diminuedoncinexorablement,etlesystèmedevientpratiquementplan.Ceprocessusestachevéen
quelquesmillionsd’annéespermettantderendrealorsvisiblelapartiecentraledudisqued’accrétiond’où
partlejet(voirVII).
4‐ Formationdesplanètes.Lesplanètesprovenantparconcentrationdecenuagedegazetde
poussièretournantautourduSoleil,tournentbienévidemmenttoutesdanslemêmesensautourdu
Soleil.L’examendesystèmesplanétaireautourd’autresétoilesmontrequenotreSystèmesolaireest
uniqueettoutàfaitspécial,suiteàunesuited’événementsaléatoirestrèspeuprobables.
Dansunpremiertemps,ledisquedegazetdepoussièreenrotationavecensoncentreleSoleil,contient
beaucoupdegaz,essentiellement,enquantité,del’hydrogène,puisdel’héliumetenfinaussibeaucoup
devapeurd’eau.
Audébut,ilseformelalignedeneigeàenviron8foisladistancedelaTerreauSoleil(8U.A.)Ils’agitd’une
coquillesphériquedecerayonoùlavapeurd’eauestsuffisammentloindelachaleurduSoleilpourse
condenserenglace,produisantuneaugmentationdeladensitédelanébuleuseparenvironunfacteur5.
Eneffet,lavapeurd’eauquisecondenseàcetendroit,donnedelaglacesuffisammentlourdepournepas
êtreéjectéeparleventsolaire.Cetteglacecaptealorslavapeurd’eauquicontinueàêtreéjectéeparle
ventsolairedelazoneintérieureàcettecoquille.Cettecoquilleformealorsuneespècedecouvercle
captantetbloquantàcetendroittouslesmatériauxéjectésparleSoleil.
Lescalculsmontrentque,àcetendroit,unnoyaurocheuxd’unemassed’environ10foislamassedela
Terreseformeen300000ans.Ilpeutalorsprovoquerl’accrétiongravitationnelledel’hydrogèneetde
l’héliumdelanébuleuse,avantquecesgaznesoientchassésenenvironunmilliond’annéesparlevent
solaire.
OnpeutpenserquelesnoyauxglacésdeJupiter,Saturne,UranusetNeptunesesontformésàdes
distancesvoisinesduSoleil(lalimitedeneige).Jupiter,leplusprèsduSoleil,donccaptantleplusdegaz,
auraitalorséjectélesautresplanètesgéantestrèstôtversdeszonespluséloignéescontenantmoinsde
gaz.UranusetNeptunen’ontdoncpratiquementpasréussiàcapterdegazdelanébuleuse.
Ilnefautdoncpasparlerdesplanètesgazeusesengénéral,maisdesplanètesgéantes.EneffetUranuset
Neptunesontdesplanètesglacéespratiquementdépourvuesd’hydrogèneetd’hélium(environquelques
massesterrestresdecesgaz).
Lefaitquelesorbitessoientapproximativementcirculairesprovientdel’interactionavecles
planétésimauxetlegaz.
LaphaseinitialeTTauriviolenteduSoleildisperselegazenmoinsde1milliond’années.Lesplanètes
rocheusescommelaTerren’ontpaseuletempsdeseformerquetoutcegazadisparu.LefaitqueJupiter
sesoitforméavantlesplanètesrocheusesestprouvéégalementparlefaitqu’ilaempêchélaformation
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d’uneplanèteauniveaudelaceintured’astéroïdes.Ilaeneffetempêchél’accrétiondecesastéroïdes
pourformeruneplanètedelatailledeMars.
LesplanètesrocheusescommelaTerresesontforméesensuite,enentre10à100millionsd’annéesdans
unenvironnementsansgazparlalenteaccrétiondesplanétésimauxàcettedistanceduSoleil.Les
collisionsdeplanétésimauxdeplusenplusgrosaufuretàmesuredelaformationduSystèmesolaireont
renverséUranussurlecôté,faittournéVénusensensinverse,enlevélemanteausilicatédeMercure,fait
pencherNeptuneetamenélaLuneautourdelaTerreparimpactd’uneplanètedelatailledeMars.
L’eaudelaTerreprovientdelacollisiontardivedeplanétésimauxrichesenglacevenantdelalimitede
neige,c’est‐à‐diredelaceintureexterned’astéroïdes.Lacompositiondel’eauterrestreendeutériumne
correspondpasàcelledescomètesmontrantquel’eauterrestreneprovientpaspoursaplusgrandepart
descomètes.Vénus,plusprèsduSoleilquelaTerre,nereçutquequelquesgouttesdecetteaverse.Vénus
n’adoncjamaiseud’eauenquantité.LararetéduSystèmesolaireprovientdéjàdelatailleadéquatedu
Soleil,deladensitéadéquatedelanébuleuseégalement.SiJupiters’étaitforméplustôt,dansune
nébuleuseplusépaisse,ilauraitmigrérapidementbeaucoupplusprèsduSoleilparéjectionàgrande
distancedesplanétésimaux,empêchantlaformationdesplanètesterrestres.S’ils’étaitforméplus
lentementdansunenébuleusemoinsdense,ilauraitétépluspetit,captantbeaucoupmoinsdegazavant
quelanébuleusenesedissipeenunmilliond’annéessousl’actionduventsolaire.Iln’auraitpaspualors
servirdebouclierpourprotégerlaTerredel’impactdecomètesoumétéoritesdestructrices.
5‐ Rotationdesplanètessurelles‐mêmes.Justeaprèsleursformations,touteslesplanètes
tournaientsurelles‐mêmesdanslemêmesensqu’ellestournaientautourduSoleil.Maisleprocessusde
miseenrotationestdifférentpourlesplanètesrocheusesetlesplanètesgéantes.
Lesplanètesgéantessesontforméesparaccrétiondegazdelanébuleuseautourdenoyauxrocheux.Par
lachutegravitationnelle,cegazétaittrèschauddonctrèsdilatéetcesplanètesétaientalorsénormes.
Ellesavaientlemomentcinétiquepropreassociéàlarotationglobaledunuagedegazetdepoussière
autourduSoleil.Doncellestournaientlentementsurelles‐mêmesparrapportauxétoileslointainesdans
lemêmesens.Lorsqu’ellessesontcontractéesparrefroidissement,parconservationdumoment
cinétique,lavitesseangulairedecetterotationaconsidérablementaugmenté.
Pourlesplanètesrocheuses,lamiseenrotationdanslemêmesensquelarotationautourduSoleilest
plussubtile.Lorsdeleursformations,l’accrétiondesplanétésimauxétaitdissymétrique.Les
planétésimauxenorbiteelliptiqueplusprochesduSoleilavaienttendanceàfrapperlaTerreenhautde
leurorbite,doncavecunevitesseplusfaiblequecelledelaTerre,poussantlecôtédelaTerreversle
Soleilenarrière.Lesplanétésimauxextérieurs,frappaientlaTerredanslapartiebassedeleurorbite,donc
làilsétaientanimésd’unevitessesupérieureàcelledelaTerre.IlsontalorspousséleborddelaTerre
opposéauSoleildanslesensdumouvement.
6‐ FormationdeLaLune.Commenousl’avonsditci‐dessus,lalunes’estproduiteparlacollision
frontaledelaTerreavecuneplanètedelatailledeMars,laplanèteThéia.Unetellecollisionest
extrêmementimprobable.LapreuveprincipalequelaLunevientd’untelimpact,estqu’ellen’a
pratiquementpasdenoyaudefer.ToutleferesteneffetrentrédanslaTerrelorsdel’impact,commele
confirmentlesmodèles.CelasevoitparlafaibledensitédelaLune.D’autrepart,lemanteaulunairea
exactementlamêmecompositionisotopiquequelemanteauterrestre,cequiestuniquedansleSystème
solaire.DenouvellesanalysesdeséchantillonsdesmissionsApollorévèlentquelerapportentreles
isotopesdel’oxygèneO16,O17,etO18estidentiquesurlaTerreetsurlaLune.Cen’estpaslecaspour
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MarsouVénus,nipourlesmétéorites.L’explicationestquelemanteaulunaireprovientdumanteau
terrestreéjectédansl’espacelorsdelacollisionfrontaleentreThéiaetlaTerre.Cen’auraitpasétélecas
pourunecollisionoblique.LemomentcinétiqueactueldusystèmeTerreLunequis’estconservéaucours
dutempsmontrealorsqu’avantlacollision,larotationdelaTerresurelle‐mêmeétaittrèsrapide.La
Terrefaisaituntoursurelle‐mêmeen2,5heures.Lesdébrisdel’impactquidonnèrentnaissanceàlaLune
ontdoncétélancésdansl’espacedanslesensdecetterotation,cequiexpliquepourquoilaLunetourne
autourdelaTerredanslemêmesensquelaTerresurelle‐même.Heureusementpournous,cardansce
cas,laLunes’éloignelentementdelaTerrepareffetdemarée.SilaLuneavaittournéensensinverse,elle
seseraitrapprochéedelaTerre,pourfinalementretomberdessusetdisparaître.
LaLunestabiliseladirectiondel'axedespôlesdelaTerre,doncl’obliquitédel’écliptique(JacquesLaskar)
etréguleainsileclimat.Elleestainsinécessairepourl’apparitiond’unevieévoluée.
LaLunechauffelemanteauterrestreparlesmaréeslunaires.Lesmaréeslesplusgrandesdumanteau
terrestreontunehauteurdeseulement11cm.Cettehauteuracependantnécessitéunréglageparticulier
del'accélérateurdeparticulesauC.E.R.N.àGenève.Avantqueceteffetnesoitdétecté,les
dysfonctionnementsassociéssontlongtempsrestésunmystère.L'énergiedégagéedanslemanteau
terrestreparceprocessusestde31019J/an.C'estlamêmeénergiequecelledégagéeparl'isotope232Th.
LaviesurlaTerrequinécessitelerecyclagedugazcarboniqueparlatectoniquedesplaquespourréguler
latempérature,nécessitedonclaprésencedelaLune.LaLuneestaussinécessairepourmaintenirle
noyaudeferliquideàl'originedespanachesdepointschauds.Rappelonsqueceferliquideestàl'origine
duchampmagnétiqueterrestrenécessaireàlapréservationdel'atmosphèreterrestredoncàlavie.Ce
champmagnétiquesertdebouclierpourleventsolaire.Sanscechampmagnétique,l'atmosphèreserait
souffléedansl'espace.Vulaprobabilitéextrêmementfaibledelacollisionàl’originedelaLune,onvoit
doncl'extrêmeraretéquienrésultepourunecivilisationcommelanôtredansl'Univers.
7‐ Legrandbombardementtardif.L’existencedecettearrivéebrutaletardivedegigantesques
météoritessurlaLuneestdéduitedesvastesbassinsd’impactqu’onappellelesmerslunaires.Ce
bombardementestdatéde3,8à4,1milliardsd’années,soitenviron600millionsd’annéesaprèsla
formationduSystèmesolaire.Environ200millionsd’annéesaprèslaformationdecesgrandsbassins
d’impact,certainsd’entreeuxontétélesièged’uneactivitévolcaniqueintense.C’estàcemomentque
cesgrandsbassinsseremplirentdelavedebasalte,d’oùlateintesombreetlatopographieplateetlisse
desmerslunaires.Cesimpactsgigantesquesonteneffetfracturélacroûtelunaire,etlemagmaprésent
endessousparlachaleurnaturelledelaLune,apus’épancherenlaveliquideparcesfractures.
Onretrouvelatracedececataclysmedansl’étudestatistiquedelatailledescratèreslunairesen
différentsendroitsdelasurfacelunaire(ELSEVIER;EarthandPlanetaryScienceLetters325‐326(2012)27‐
38:Theonsetofthelunarcataclysmasrecordedinitsancientcraterpopulations;SimoneMarchi;
WilliamF.Bottke;DavisA.Kring;AlessandroMorbidelli).
Ilyabeaucoupplusd’astéroïdesdepetitestaillesquedegrandestailles.Pourunetailledecratèrechoisie,
qu’onplaceenabscisse,onplaceenordonnée,lenombredecratèrestrouvés,dansunbassind’impact
choisi,dontlatailleestsupérieureàcettetaillechoisie.Ontracelegraphiqueenlog‐log,c’est‐à‐direqu’on
metenfaitlelogarithmedécimaldesquantitéspouratténuerlesgrandesvariationsd’échellesennombre
etentailledescratères.Onaci‐dessouslerésultatobtenupourlebassindeNectarisâgéd’environ4
milliardsd’années,etpourlebassinAitkendupôleSudquiestextrêmementancien.LebassindeNectarisa
étédatéparlesrochesprovenantdesmissionsApollo.Lebassind’Aitkenestbeaucoupplusancien,car
constellédecratèresquisesuperposentlesunslesautres.D’autrepartc’estunénormebassinquirésulte
d’unimpactgéantsansdoutepeuaprèslanaissancedelaLune.Onvoitqu’onaundécalagedelarupture
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depente.Sil’onfaitl’hypothèsequelafréquencedesastéroïdesenfonctiondeleurtailleestlamêmepour
lesdeux,lefaitquelarupturedepentesefassepourunetailledecratèrede60kmdediamètrepour
Nectarisetpour45kmpourAitkens’expliqueparlefaitquelesastéroïdesbombardantNectarisallaient
plusvite.Lecoude,d’aprèsnotrehypothèse,correspondeneffetàlamêmetailled’astéroïdepourles
deux,doncsilecratèreestplusgros,c’estquel’astéroïdeafrappélaLuneavecuneplusgrandevitesse.d
étantlediamètreetvlavitesse,onadproportionnelàv0,44.Doncvn/va=(dn/da)(1/0,44)=(60/45)(1/0,44)=
1,92voisinde2.LesastéroïdesfrappantNectarisallaientdoncdeuxfoisplusvitequeceuxfrappantAitken.
IlsvenaientdoncdebeaucoupplusloinduSoleil.
8‐ LemodèledeNice.Cemodèleestbasésurlasimulationavecunordinateurtrèspuissantde
l’évolutionduSystèmesolaire.Ilexpliquelegrandbombardementtardif.Sonnomvientdelapublication
dupremierarticlesurcesujetdanslenumérodu26mai2005deNature:Originoftheorbitalarchitecture
ofthegiantplanetsoftheSolarSystemK.Tsiganis;R.Gomes;A.Morbidelli&H.L.Levison;ces
chercheurstravaillantàl’ObservatoiredelaCôted’AzuràNice.Audépart,Jupiterestplacéà5,45UA.
Saturneestplacéàquelquesdixièmesd’UAendeçadelapositiondelarésonance1:2à8,65UA.La
résonance1:2correspondàunepériodedeSaturnedoubledecelledeJupiter.Neptuneestplacéenvironà
12UAetUranusà17UA.Au‐delàdel’orbitedecesplanètesestplacéundisquedeplanétésimaux,dontce
quirestemaintenantau‐delàdel’orbiteactuelledeNeptunes’appellelaceinturedeKuiper,objets
constituésdeméthane,d’ammoniacetd’eaugelés.L’interactionentrelesplanètesetcedisquede
planétésimauxprovoqued’abordunelentemigrationdesplanètes.Jupiterserapprochelentementdu
Soleil.Eneffetparsatrèsfortegravité,ilatendanceàéjecterlesplanétésimauxd’orbitenécessairement
elliptiquequ’ilrencontretrèsloin,etparconservationdel’énergie,perddel’énergie.Lesautresplanètes
s’éloignent.Eneffet,plusprochesdudisque,ellesonttendanceàtransformerlesorbitescirculairesdes
planétésimauxenorbiteselliptiques,doncàdiminuerleurmomentcinétique.Parconservationdumoment
cinétique,ellesdoiventdoncs’éloigner.À6,6millionsd’années,JupiteretSaturnetraversentlarésonance
1:2.Lathéoriedesinvariantsadiabatiquesmontrealorsqueleurorbite,decirculairedevientexcentrique
(ellipse)avecuneexcentricitévoisinedecelleobservéeactuellement.LesystèmedesplanètesSaturne,
UranusetNeptune,quisonttroprapprochéeslesunesdesautres,devientalorschaotique,etdes
rencontresserréesentrecesplanètesseproduisent.LesplanètesglacéesUranusetNeptunevoientalors
leurorbitedevenirtrèsexcentrique.Ellespeuventdoncpénétrerdansledisquedeplanétésimauxoùelles
creusentleursillon.L’interactionàcetendroitaveclesplanétésimauxleurredonnealorsuneorbite
Nectaris
Aitken
100 10
Nombre cumulatif (km )
-2
10
10
10
-6
-5
-4
Diamètre des cratères en km
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