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Epistémologie Generale        Chapitre VIII-2       

 

VIII-2 Formation des étoiles et des planètes.

 

Ce chapitre aborde le premier facteur de l'équation de Drake: la formation des planètes, qui est la condition première pour la vie. Puisque nous avons maintenant la confirmation expérimentale de l'existence d'exoplanètes, on ne peut plus douter qu'une proportion importante d'étoiles en ait. Pour donner une idée, si seulement une étoile sur 10 avait des planètes, au lieu de toutes, cela mettrait notre plus proche voisine seulement 2,15 fois plus loin, et une détection par SETI seulement quelques années plus tard.

 

Mais j'ai une autre raison précise pour un chapitre sur la formation détaillée des étoiles et des planètes: On trouve dans la littérature scientifique une série de théories avec lesquelles je ne suis pas d'accord.

Une ancienne hypothèse scientifique était que la formation des planètes nécessitait une rencontre rapprochée entre deux étoiles, ce qui rendait les planètes très rares. Cela a été réfuté, et aujourd'hui les observations montrent que les planètes sont très courantes. Mais beaucoup de gens, et même des scientifiques, continuent à raisonner comme si les planètes étaient très rares. Ou, plus subtilement, ils disent que, même si la vie était commune sur les autres planètes, l'humanité «doit» être unique. Je suis désolé, mais le caractère unique de l'humanité est un dogme catholique, qu'on ne trouve même pas dans la Bible. Il n'y a aucune raison scientifique pour que la Terre soit spéciale et l'intelligence unique, même dans l'hypothèse ou elles seraient extrêmement rares. Je soupçonne que ce préjugé est toujours à l'origine de la «préférence» générale accordée aujourd'hui aux processus spéciaux, très rares ou uniques, n'expliquant que la Terre, à l'opposé des processus généraux expliquant tous les cas.

Une hypothèse plus récente est que la formation du système Terre-Lune résulterait d'une collision entre une proto-Terre et une planète de la taille de Mars. De prestigieux scientifiques de la NASA l'invoquent pour expliquer les différences de composition et de structure entre la Terre et la Lune, et en quelques années c'est devenu comme par magie la «théorie généralement acceptée», sans aucune autre recherche ou vérification. D'autres modèles de collision sont proposés, pour «expliquer» toutes les caractéristiques des planètes: inclinaison de l'axe, vitesse de rotation, satellites, etc.. Je suis désolé, mais toutes ces caractéristiques et les compositions peuvent s'expliquer de plusieurs autres façons, comme par exemple le modèle qui suit. Donc, jusqu'à présent, nous n'avons pas vraiment besoin de ces collisions improbables. Nous avons même de récentes preuves très convaincantes que de telles collisions n'ont jamais eu lieu dans notre système solaire, et elles semblent même rares dans les autres systèmes.

Beaucoup aussi invoquent un processus d'accrétion qui passerait par la formation de «planétésimaux» de la taille d'astéroïdes, qui se rassembleraient en planètes par collisions successives. Je ne partage pas non plus cette vision, et nous avons même un contre-exemple: c'est ce qui s'est passé dans la Ceinture d'Astéroïdes, où plusieurs collisions ont entraîné davantage de désordre, au lieu d'accrétion. En plus, les planétésimaux gazeux ne peuvent exister, donc les planètes comme Jupiter ne peuvent se former par ce processus. Le modèle qui suit ne nécessite pas de planétésimaux, et il rend facilement compte de toute la variété de tailles, de composition et d'orbites dans notre système solaire et dans les autres.

D'autres évoquent également des planètes qui spiralent autour de leur soleil, afin d'expliquer certains écarts de composition avec le modèle standard. Je ne crois pas cela non plus: déplacer Jupiter de son orbite, vers, disons, l'orbite de Mars, nécessiterait une énergie énorme. Cela ne peut se produire que si l'on lui ajoute une grande quantité de matière. Problème, la matière disponible pour cela a presque la même orbite que le proto-Jupiter! Ainsi, déplacer Jupiter de cette façon exigerait tant de matière qu'il deviendrait une étoile naine. Ou au contraire le proto-Jupiter serait plus petit que la Terre, et incapable de conserver ses gaz. Et dans les deux cas, le corps résultant aurait la composition de la matière absorbée, tandis que celle du corps d'origine serait complètement diluée, ne contribuant que marginalement à la composition globale. Ainsi l'idée de planètes qui spiralent ne peut pas être l'explication de leur composition ou de leur position.

Un autre fait troublant est qu'il y a trop de résonances avec les rotations planétaires: Mercure a sa rotation quotidienne verrouillée sur l'orbite terrestre, et une autre résonance existe avec Vénus. On l'explique généralement cela par l'effet de marée. Cependant La lune n'a pas pu verrouiller la Terre, alors comment la Terre pourrait-elle verrouiller Mercure, tout en exerçant sur elle une force gravitationnelle 100000 fois plus faible? Le verrouillage s'est nécessairement produit autrement, et c'est l'objet du présent chapitre. Mais d'autres résonances orbitales visibles dans le système solaire sont explicables par les théories actuelles.

Veuillez noter qu'il s'agit ici d'un débat de science classique: il n'y a aucune Epistémologie Générale impliquée dans ce chapitre. Il s'agit simplement de différentes théories, basées sur la physique connue et les mêmes faits d'observation astronomiques. Juste que je n'aime pas que quelqu'un écrive un papier sensationnel, et 10 ans après ce papier est devenu «la théorie généralement admise» sans contrôle approfondi, ou même à l'encontre de preuves contradictoires.

Mais maintenant j'ai besoin d'expliquer pourquoi je ne suis pas d'accord, et pour cela discuter en détails de la formation des étoiles et des planètes.

Modèle simple d'un nuage sphérique sans rotation.

Il est bien connu aujourd'hui que les systèmes solaires sont formés par condensation des nuages de gaz et de poussières interstellaires. Cependant, beaucoup de détails restent mal compris. Voyons-les donc dans ce chapitre.

 

Supposons tout d'abord un modèle simple d'un nuage interstellaire de densité uniforme, immobile et froid, sans rotation. J'ai fait une petite simulation par éléments finis, seulement inertielle (non-hydrodynamique), en supposant une symétrie sphérique (une seule dimension). Le résultat était un peu inattendu: tandis que la matière près du centre reste relativement immobile, on voit une onde de compression, partant du bord vers le centre, et poussant la matière vers ce centre. À ce stade, bien sûr, l'approximation inertielle n'est plus valide, mais le comportement des ondes de choc hydrodynamiques est bien connu.

Une simulation plus réaliste avec la densité diminuant régulièrement à partir du centre vers le bord, montre toujours le même comportement: une onde de compression, mais maintenant elle part d'une position intermédiaire. La couche de matière externe non impliquée tombe beaucoup plus lentement, sans onde, et elle arrive plus tard au centre, sous forme d'un flux modeste mais continu, alors que ce centre est déjà compressé. Nous verrons que cette chute tardive joue un rôle important dans la formation des planètes.

 

Qu'en est-il des nuages interstellaires réels, avec des formes compliquées? Ces nuages peuvent se former lors de rencontre de nuages plus petits, ou quand un vent stellaire compresse les nuages diffus. Des nuages dilués peuvent se rassembler sous des influences externes, par le simple jeu des forces non gravitationnelles. Jusqu'à ce que quelque part les forces gravitationnelles deviennent plus importantes que les forces de dispersion mécanique, et que commence un effondrement gravitationnel. Plus vite cette condition est remplie, et plus de masse sera prise lors de l'effondrement (c'est pourquoi les ondes de choc des supernovas proches jouent un rôle important de démarrage de l'effondrement. Deux événements de supernovas auraient même été datées dans les millions d'années qui ont précédé la formation de la Terre). Mais comme le montre la simulation, la matière la plus périphérique échappera au processus brutal de l'onde de choc, tout en étant tout de même prise gravitationnellement dans le système. Cette matière va tomber plus tard et plus lentement.

 

Il est important de comprendre ici que cette compression peut avoir lieu selon plusieurs ordres de grandeur, de 10 000 milliards de kms (le nuage) à 100 000 kms (une étoile). Ainsi, nous pouvons voir les mêmes phénomènes se reproduire à des échelles différentes, plusieurs fois. Mais chaque fois, nous avons des nuages de plus en plus denses, de plus en plus petits, de sorte que chaque compression se produit selon une échelle de temps de plus en plus courte. Ainsi tous les phénomènes que nous décrivons ici peuvent arriver à des échelles très différentes, depuis un énorme nuage interstellaire jusqu'à un noyau de la comète de quelques dizaines de kilomètres. Et elles se produisent de plus en plus rapidement lorsque l'échelle est plus petite.

Dans un nuage interstellaire, la vitesse du son est très faible, par rapport aux km/s habituels des corps spatiaux. Ainsi l'onde de compression se transforme t-elle rapidement en onde de choc. Comme le nuage de départ est probablement très asymétrique, ces ondes de choc vont faire de lui un objet chaotique, où des parties s'effondrent, d'autres rebondissent, etc..

 

À ce stade, le nuage est toujours entièrement transparent à son propre rayonnement thermique infrarouge, de sorte que la chaleur générée par la compression se disperse dans l'espace, et la température ne monte pas beaucoup. Mais une transition importante se produit lorsque le nuage devient suffisamment dense pour être opaque à son propre rayonnement thermique. Alors, la chaleur de la compression ne peut plus quitter le coeur du nuage, et la température monte. Cela crée une pression qui s'oppose à la compression. A partir de ce moment, la compression est limitée, et elle ne se produit plus que dans la mesure où le nuage est capable de rayonner sa chaleur à l'extérieur. Ce processus relativement calme va atténuer et dissiper les ondes de choc et les irrégularités: nous avons maintenant un globule de Bok (appelé proplyd dans le vocabulaire le plus récent), qui est un objet sphérique de forme relativement lisse.

Un point remarquable ici, est que la poussière est beaucoup plus efficace que le gaz pour émettre de la chaleur et la dissiper. Ainsi un nuage comprenant de la poussière se compressera plus rapidement. Un nuage de gaz pur, tel qu'il en existait au tout début de l'univers, dissipera moins de chaleur, exercera une plus forte pression et se compressera plus lentement. Cela peut lui permettre de rassembler plus de matière, expliquant pourquoi les toutes premières étoiles étaient (probablement) beaucoup plus grosses que les générations suivantes.

 

À ce stade, nous pouvons commencer à voir quelque chose de sphérique ressemblant à une étoile, mais plus grand, avec une surface floue, comme une géante rouge, avec une surface brumeuse et pas de cœur dense. Et la chaleur n'est rayonnée que par cette surface. La compression est toujours en cours, mais maintenant c'est seulement au rythme du refroidissement thermodynamique de l'objet. Ainsi la compression finale est lente et quasi statique, impliquant seulement des mouvements lents, de lents déplacements du point d'équilibre et une lente diminution de diamètre. C'est très différent de l'effondrement de l'onde de choc du début.

Cette compression continue jusqu'à ce que nous obtenions une étoile ou une planète.

 

Ajouté en janvier 2015: un point très peu clair dans les articles de vulgarisation scientifique, est comment on passe d'un nuage flou sans noyau, à une étoile avec une surface définie et un noyau dense. Mais la compression lente offre une réponse: le nuage entier est en équilibre thermodynamique avec son propre champ gravitationnel. L'équation de sa densité par rapport à son rayon suit alors une loi de puissance (pour simplifier). L'apparence floue et la surface bien nette sont alors juste deux cas différents de la même loi de puissance. Dans le cas de flou, le nuage est peu dense et surtout transparent, de sorte qu'il apparaît flou, comme cela arrive aussi dans les étoiles géantes rouges. Dans le cas plus condensé, comme dans une étoile ou une planète géante, la zone floue est toujours là, mais très mince par rapport au diamètre total, donnant l'apparence d'une surface nette. Ainsi un nuage passe progressivement mais entièrement de l'aspect flou à l'aspect net, simplement en faisant varier sa taille. Et il n'y a aucun moment où nous avons un embryon d'étoile se formant mystérieusement à l'intérieur d'un nuage. Au lieu de cela, c'est le nuage entier qui change d'aspect, polissant progressivement sa surface et augmentant sa densité, se transformant en entier en une étoile.

 

Voilà ce qui se passerait si le nuage ne tournait pas. Mais les véritables nuages tournent toujours, de sorte que leur apparence est quelque peu différente:

Modèle de nuage en rotation.

Le modèle simplifié ci-dessus, bien que physiquement correct, ne peut pas expliquer des choses comme deux étoiles naines en orbite circulaire l'une autour de l'autre, à moins de 1 million de kilomètres: même si deux nuages interstellaires étaient déjà en orbite l'un autour de l'autre, ils sont beaucoup trop gros pour le faire à une distance aussi courte. Mais ces nuages interstellaires sont des objets chaotiques, avec des grumeaux de matière se déplaçant dans toutes les directions. Ainsi, au démarrage de l'onde de compression, il est très probablement asymétrique. Les deux côtés ne peuvent donc pas arriver au centre au même moment, etc.. Le résultat est alors un objet chaotique: à toutes les échelles de la compression, nous avons de nouvelles ondes de compression plus petites, plus rapides, commençant avant même que les ondes à plus grande échelle meurent. Et dans un nuage compressé, il peut facilement arriver que les nouvelles vagues de compression le cassent en deux ou plusieurs objets. C'est une des façons de former des étoiles multiples, qui seront le plus souvent sur des orbites très elliptique de moyenne ou grande taille.

 

Mais il n'y a encore un autre facteur: la rotation du nuage. Quand un nuage est pris dans un processus de compression, tous ses mouvements internes chaotiques sont annulés, car ils frottent les uns sur les autres. Tous, sauf un: la rotation d'ensemble, qui n'a rien sur quoi frotter. Au contraire, la vitesse de rotation augmente avec la compression du nuage. Ceci peut fortement influencer le comportement des ondes de compression, par la force de Coriolis. Sans doute ces ondes vont-elles finir par plus ou moins tourner autour du corps central, un peu comme des grains dans un cyclone. C'est un peu compliqué pour l'intuition humaine de visualiser comment cela se comporte, nous avons besoin d'une simulation par ordinateur. Mais ça se passe seulement avec la mécanique commune, sans aucun besoin de conditions particulières ou rares.

Cependant, à un moment, le nuage tourne tellement vite que son Équateur est à la vitesse orbitale. Mais seulement l'équateur! A ce stade, si le nuage continue à se compresser, l'annelet de l'équateur est simplement laissé en orbite, tandis que le corps central continue à diminuer. Et la proto-étoile (encore noire à ce stade) diminue et diminue, laissant un disque du genre de Saturne en orbite autour d'elle, fait d'annelets concentriques. Lorsque la compression est terminée, nous obtenons un anneau autour d'une étoile: le disque d'accrétion. Voilà comment une bonne part de l'énergie de rotation excessive est laissée hors du corps central. Il est important de comprendre ici que, dans ce cas, chaque annelet est nécessairement circulaire, et chacun est similaire au précédent, mais sur une plus petite échelle, depuis un énorme formé en premier (le nuage d'Oort) jusqu'au plus petit annelet, touchant l'étoile.

Nous voyons clairement ici que plusieurs caractéristiques d'un système planétaire sont déjà en place: des orbites circulaires, dans le même plan, en une échelle exponentielle du genre loi de Titus-Bode. Appelons ce disque le disque d'accrétion primaire.

Et, contrairement à une vue commune, ce disque primaire n'est pas formé de matière tombant sur l'étoile, mais il est tiré hors de l'étoile elle-même.

Ce disque d'accrétion primaire est une deuxième façon de former des systèmes d'étoiles multiples, avec des orbites circulaires, moyennes à petites.

Le problème de l'excès de mouvement de rotation et les jets

Mais ainsi, toutes les étoiles devraient être de plates ellipses, avec leur équateur tournant à la vitesse orbitale. Il faut un autre processus pour ralentir cette rotation folle et conduire à des étoiles réelles, qui tournent bien moins vite. L'hypothèse courante (2011) est la formation de jets polaires, dont l'énergie cinétique évacuerait l'énergie de rotation de la proto-étoile.

On ne sait pas comment ces jets se forment, et même pas où: aux pôles de la sphère centrale, ou par le disque d'accrétion lui-même? La seule chose que nous savons est que ces jets sont communs, et on les voit dans les étoiles nouvelle nées, les quasars, les micro-quasars, partout où il y a des disques d'accrétion actifs. Dans le cas des étoiles en cours de formation, on les appelle objets de Herbig Haro, et ils peuvent s'étendre sur une année-lumière.

L'explication la plus acceptée de ces jets est un phénomène magnétique, qui convertirait l'énergie de rotation en énergie de mouvement linéaire. Je n'ai pas connaissance d'une explication précise de comment ça marche, mais un tel phénomène implique une température assez élevée pour ioniser la matière, et un champ magnétique puissant, occupant beaucoup d'espace. Aujourd'hui, le soleil serait totalement incapable de freiner sa propre rotation avec le champ magnétique qu'il lui reste. Il faut pourtant bien qu'il l'ait fait un jour, puisque la vitesse de rotation à son équateur est beaucoup plus petite que la vitesse orbitale. Il en va de même pour toutes les étoiles et planètes connues.

Nous avons une indication comme quoi le processus est magnétique: les vieux pulsars, qui ont perdu leur champ magnétique, sont incapables de freiner quand ils accrètent de la matière à nouveau, dans des systèmes binaires. Ainsi ils tournent à une vitesse folle, à la limite de la rupture par la force centrifuge. De nombreux astéroïdes font aussi cela. Par contre, il est fort probable que le disque d'accrétion et les étoiles nouveau-né aient un champ magnétique très puissant, concentré de celui qu'ils avaient dans le nuage interstellaire. «Fort» ne signifie pas forcément un grand nombre de Teslas, mais plus étendu dans l'espace. Aussi, n'oublions pas que rien ne peut rester en orbite aux pôles d'un trou noir. Donc, contrairement à beaucoup d'images, les jets sont probablement issus d'ailleurs, de son Équateur, voire de son disque d'accrétion.

 

Essayons de voir comment cela fonctionne. Dès que le disque d'accrétion est suffisamment chaud pour conduire l'électricité, un processus de dynamo commence à créer des courants dedans. Ces courants sont probablement circulaires, le long de l'équateur du corps central ou des annelets du disque d'accrétion. Mais on peut imaginer des motifs plus complexes, avec par exemple des tourbillons tournant autour du disque, ou des boucles avec courant dans un sens, alternant avec des boucles où le courant est dans l'autre sens, voire même une organisation du genre tokamak. La seule chose de sûre, la plupart des lignes magnétiques émergeront perpendiculairement au disque d'accrétion, à travers le trou central, ou à travers les tourbillons, ou entre les boucles. Puis ces lignes magnétiques s'échapperont vers l'infini, de chaque côté. Ainsi, il n'est pas difficile de deviner que tout plasma arraché au disque ne peut que s'échapper en suivant ces lignes magnétiques, vers l'infini. Et ce plasma a un mouvement hélicoïdal le long des lignes magnétiques, similaire à la rotation du disque. Ainsi, les forces de Lorentz vont fortement pousser le plasma au loin, exactement comme les spires d'un transformateur se repoussent mutuellement. Cette éjection à haute énergie formeraient les jets. Une autre description plus populaire implique des courants de Birkeland, des cordes de plasma qui suivent également les lignes magnétiques. Des phénomènes électromagnétiques complexes en leur sein peuvent accélérer des particules à très grande vitesse, formant les jets. Ce processus n'implique pas nécessairement de champs magnétiques puissants ni des températures très élevées.

Mais dans les deux cas, la puissance requise pour cette éjection provient de l'énergie de magnéto du disque rotatif, de sorte qu'elle freine cette rotation. Si le disque est ralenti, alors la matière spirale vers le centre. Nous pouvons même avoir l'annelet le plus proche du centre tomber en chute libre vers le corps central. Mais le freinage est vraisemblablement plus efficace sur le corps central lui-même, qui est le plus chaud et qui tourne le plus vite. Ainsi ce processus peut facilement expliquer comment un disque d'accrétion chaud tournant à la vitesse orbitale puisse produire des jets puissants et un corps central tournant beaucoup moins vite que la vitesse orbitale. Juste que, contrairement aux images de vulgarisation scientifique, les jets aspirent de la matière de tout le disque, pas seulement des pôles du corps central.

 

Dans le cas de notre système solaire, ce processus serait responsable du «trou central» à l'intérieur de l'orbite de Mercure. Ce trou marquerait la limite où le disque serait devenu conducteur d'électricité, et a été freiné suffisamment pour tomber sur le soleil. Le futur Mercure et au-delà n'étaient pas freinés.

 

Cependant, on voit difficilement des plasmas chauds impliqués dans la formation de petits corps glacés comme Encelade, voire des comètes. Ces petits corps doivent donc freiner leur énergie de rotation en excès grâce à un processus d'accrétion froid, sinon leur glace serait vaporisée et dispersée dans l'espace. On peut supposer des champs magnétiques faibles et des atomes ionisés par les rayons ultraviolets, ou de la poussière ionisée se comportant comme un plasma (Cette explication est aussi proposée pour les événements lunaires inexpliqués, chapitre VII-5). Une autre possibilité pour ces corps de se former, serait un processus de formation de jets purement mécanique, sans nécessiter d'ionisation (haute température).

En contre-exemple, on peut voir de nombreux astéroïdes tournant si vite qu'ils ont une forme elliptique ou de cacahuète, preuve que le freinage de la rotation ne marche pas pour eux. Mais ces astéroïdes sont accrétés à partir de blocs, pas de poussière. Preuve indirecte que le processus de freinage de la rotation peut marcher avec la poussière aussi bien qu'avec les gaz.

Le rôle de la chute tardive.

Toutefois, il est classiquement admis qu'un disque d'accrétion se forme autour d'une étoile de manière totalement différente, à partir de matière qui tombe dessus. C'est même le sens classique du mot «accrétion».

Nous avons noté qu'une bonne partie de la matière originale est abandonnée en route par le processus d'effondrement du nuage, et ne tombe que bien plus tard. Ainsi beaucoup de matière peut encore arriver après que le disque d'accrétion primaire soit formé. Cette chute tardive se présente sous forme de flux arrivant de plusieurs directions, continuellement ou par bouffées.

Raisonnons comme si il n'y n'avait pas de disque primaire, et voyons comment cette chute tardive peut former un disque d'accrétion à partir de rien. Et pour commencer, pourquoi serait-ce un disque? Imaginons deux particules orbitant dans des plans différents. Si elles se rencontrent, elles perdent de l'énergie relative, et leurs nouvelles orbites seront plus proches l'une de l'autre. Si elles se heurtent encore et encore, elles vont finir par annuler toute vitesse relative, et se retrouver sur deux orbites très similaires: même plan, même taille. Si il y a beaucoup de particules, la même chose se passera, et elles finiront par former un disque d'accrétion, plat et avec une rotation circulaire, la moyenne de tous leurs mouvements. Voilà donc comment apparaissent des caractéristiques régulières, telles qu'un disque circulaire, à partir de mouvements chaotiques.

Ainsi nous avons des bouffées de matière tombant de toutes les directions, sur des trajectoires paraboliques, droit sur notre étoile nouvelle née. Elles vont heurter le disque d'accrétion primaire, ou heurter d'autres bouffées de toute façon si il n'y a pas de disque primaire. Mais que se passe-t-il si ils elles se déplacent dans des directions opposées? Elles annuleront leur vitesse. Ainsi, n'étant plus sur leur orbite, elles tomberont en chute libre plus près de l'étoile. Mais ce faisant, elles sont susceptibles de frapper une autre bouffée, et, de par la dynamique de l'accrétion vue plus haut, elles se retrouveront à se rassembler sur des orbites plus ou moins circulaires. De nombreuses bouffées de matière tombant au hasard sur le disque vont produire ce phénomène encore et encore, jusqu'à la fin de la chute tardive. Chaque fois, une portion substantielle du disque d'accrétion tombera plus près de l'étoile et rencontrera un autre annelet. Soit elle restera sur cette nouvelle orbite, soit elle démolira l'annelet, ce qui la fera tomber encore plus près de l'étoile, etc.. Cette vision Dantesque de démolitions successives et de reconstruction du disque d'accrétion conduira à un renouvellement complet de la matière du disque, et finalement à une géométrie très différente. Le résultat final peut avoir plusieurs anneaux à des angles différents, être excentrique, ou montrer de larges différences de densité et de composition en fonction du rayon. Appelons ce disque le disque d'accrétion secondaire. C'est celui que l'on voit habituellement autour des quasars.

 

Et nous avons une preuve que ce processus irrégulier a effectivement lieu: les jets de quasar ou d'étoiles apparaissent souvent se tordant ou tirant dans des directions différentes. Ce qui confirme que leur disque d'accrétion est effectivement détruit et reconstruit, éventuellement dans un plan différent, par des amas de matière provenant de directions aléatoires. Les «éruptions» d'un quasar se produiraient quand une partie de son disque s'effondre en chute libre vers le trou noir, après avoir été impacté par une grosse bouffée de matière.

 

A la rigueur, l'idée d'un disque d'accrétion spiralant serait fausse. Les disques d'accrétion ne spiraleraient pratiquement pas de par leur propre dynamique, mais sous le feu destructeur des bouffées de matière qui les frappent. Sans nouvelles arrivées, un disque d'accrétion serait relativement stable, jusqu'à ce qu'il se condense en planètes, ou qu'il se dissipe.

 

Ce processus chaotique d'arrivée tardive sur le disque d'accrétion explique très bien toutes les caractéristiques apparemment incroyables des exoplanètes trouvées récemment:

-Des systèmes bien circulaires avec une loi de Titus-Bode et une différentiation thermique normale, lorsque le disque d'accrétion primaire serait peu ou pas perturbé.

-Des disques fortement remodelés (disque d'accrétion secondaire) donneraient des systèmes irréguliers.

-Des étoiles avec des planètes contra-rotatives et même des disques d'accrétion contra-rotatifs.

-Des planètes avec des orbites très elliptiques ou très inclinées: un grumeau de matière a annulé la majeure partie de sa vitesse orbitale en frappant le disque d'accrétion, et a pris cette orbite elliptique. (Probablement le disque d'accrétion a été très endommagé à ce niveau, et il n'a pas pu s'y former de planète).

-Que la matière puisse spiraler vers le centre du disque, sans invoquer un impossible mouvement en spirale des planètes.

-Des planètes se formant très près d'une étoile, là où la différenciation thermique devrait dissiper leur gaz. Une lourde bouffée de matière est tombé là, et s'est condensée rapidement en planète, avant que la lumière ne la disperse. Très probablement, ils peuvent être assez gros pour devenir des étoiles, expliquant les étoiles multiples avec des orbites proches et très excentriques. C'est le troisième processus de formation des étoiles multiples.

-Que les comètes aient des orbites très elliptiques: elles seraient les derniers restes de la chute tardive.

Composition du disque d'accrétion brut

Rappel: le modèle de différenciation thermique explique que la chaleur du soleil chasse les éléments volatils (gaz, eau) des planètes les plus proches, tandis que les planètes lointaines gardent leurs glaces, et les plus lointaines gardent même les gaz les plus volatils comme le méthane. Ce modèle fonctionne bien pour notre système solaire, où nous avons des planètes rocheuses près du soleil, et des géantes gazeuses avec les lunes glacées plus loin. Mais il est mis en difficulté par la découverte de géantes gazeuses très proche de leur soleil, appelées des «Jupiters chauds», qui, d'après ce modèle, ne devraient pas exister là. D'après mon modèle, ces planètes peuvent se former à cet endroit au cours de la chute tardive et de l'accrétion chaotique qu'il produit.

 

Le modèle que je présente ici explique mieux les compositions variées des planètes, et en particulier tous les écarts d'avec le modèle de différenciation thermique. Ces compositions variées peuvent facilement résulter de la chute tardive d'amas de matière avec des compositions très différentes, y compris de pures éjections de supernova proches, pas déjà mélangées avec la matière commune à l'entour. Ce qui fait que, outre les types communs de planètes que nous avons dans notre système (rocheuses/silicates, gazeuse et liquide/glacée), on peut s'attendre à des types très différents: planètes d'hélium, planètes de carbone (comme Phoebe autour de Saturne), planètes de fer, planètes d'oxydes métalliques, planètes de sulfures, planètes de matière organique CHON ou planètes d'oxygène (qu'il ne faudrait pas confondre avec les planètes porteuses de vie).

 

Par exemple, Mars, Vénus et Mercure sont très sèches, de par la différenciation thermique qui a évaporé l'eau. Donc, d'après le modèle de différenciation thermique, la Terre devrait être aussi sèche que Mars et Vénus, formées à partir du même disque et soumises à la même évaporation. Des chutes de comète ont été proposées pour expliquer cette différence, mais si c'était le cas Vénus serait aussi humide, car elle a capturé autant de comètes. (Ajouté en 2014: de toutes façons, la mission Rosetta a trouvé une eau différente dans les comètes, de sorte que l'eau de la Terre ne peut pas provenir des comètes). Ce qui s'est probablement passé, c'est que nuage de la proto-Terre a probablement reçu au dernier moment une bouffée de matière fraîche de supernova, riche en hydrogène ou en eau. C'est forcément arrivé avant que le nuage de la proto-Terre se condense, alors qu'il avait encore assez de section efficace pour intercepter la chute finale. Mais pas trop longtemps avant qu'il se condense, de sorte que la lumière du soleil n'a pas eu le temps de chasser cet hydrogène ou cette eau.

Dynamique du disque d'accrétion brut

Un autre point avec le disque d'accrétion est que, lorsque la chute tardive s'arrête, il n'évolue plus, sauf bien sûr avec la condensation des planètes que nous décrivons plus loin. Sa géométrie globale est maintenant définitivement figée: orbites circulaires ou elliptiques, densité et composition par rapport à la distance du soleil.

Une vue courante dans les revues de vulgarisation scientifique, est que le disque d'accrétion «spirale» vers le soleil. Mon avis ici, est que justement, il ne le fait pas. Que la matière puisse se rapprocher du soleil, nécessite des événements qui permettent l'annulation de sa vitesse orbitale, par exemple des rencontres de grumeaux de la chute tardive. (Ajouté en janvier 2015: ceci est confirmé par des études plus récentes et les simulations avec des anneaux en plusieurs parties, inclinées ou tournant en sens contraire: l'annulation de la vitesse orbitale se produit aux endroits où des flux de matières différents se rencontrent. Mais un disque régulier n'a précisément pas de tels points, de sorte qu'il est beaucoup plus stable).

 

Mais une caractéristique importante d'un disque d'accrétion est que les anneaux qui constitueront chaque future planètes y ont une interaction beaucoup plus forte que de nos jours. La raison est que les nuages et les anneaux sont beaucoup plus gros qu'une planète condensée, de sorte qu'ils peuvent se rencontrer, alors que les planètes ne le peuvent pas. On dit qu'ils ont une section efficace bien plus importante. Cela fait que nous pouvons avoir des choses bizarres, tel qu'un flux de matière proto-Pluton, petit mais dense, traversant un flux plus large mais plus dilué de proto-Neptune, échangeant du moment d'inertie et de rotation. Avec pour conséquence de tordre une partie du disque d'accrétion de Neptune, ce qui lui a donné son unique lune rétrograde. (Janvier 2015: la théorie habituelle est que Triton aurait été capturé. Toutefois cette capture, précisément, s'explique bien mieux si Triton résulte d'un échange de matière entre deux nuages, ainsi que la suite:). Nous avons aussi une composition similaire entre Triton et Pluton, et la résonance Pluton-Neptune. Seulement plus tard, ces corps se sont condensés, et leurs tailles beaucoup plus modestes interdit toutes ces interactions depuis.

 

Donc, toutes sortes de caractéristiques peuvent être attendues, sans rencontres sensationnelles des planètes elles-mêmes. Une rencontre catastrophique entre deux planètes solides ne donnerait jamais une résonance de toute façon.

Depuis le disque d'accrétion vers un annelet par future planète

Reste à savoir comment les planètes peuvent se former à partir du disque d'accrétion calme. Je suppose que cette formation est automatique, sauf si les parties du disque sont sous la limite de Roche, comme c'est arrivé avec Saturne. Sous la limite de Roche, le disque d'accrétion est indéfiniment stable et il devient très mince (froid, ou état d'énergie minimum, en termes thermodynamiques). Mais, contrairement à une opinion commune, il ne spirale pas non plus, sauf quelques processus marginaux. (La dispersion peut faire se répandre les anneaux, et les anneaux les plus proches de Saturne semblent effectivement tomber dessus. Mais globalement ils ne semblent pas spiraler)

 

Je vois trois processus très différents pour un disque s'effondrer en planètes:

Le premier processus est astrodynamique: les interactions orbitales conduisent à la déplétion de certaines orbites. Un disque d'accrétion aura souvent des grumeaux ou des irrégularités, dont la masse peut être supérieure à une grosse planète. Et leur gravitation pousse d'autre matière hors des orbites de résonance, pour les forcer vers d'autres orbites. Ceci renforce le grumeau original. Dès que nous avons un grumeau assez gros, il peut initier la partition du disque en annelets, et ce processus de partition se propagera rapidement dans tout le disque. Idéalement, un grumeau unique dans un disque parfaitement régulier le cassera en annelets espacés régulièrement, dont la taille croît de façon exponentielle depuis le centre jusqu'aux confins, dans une parfaite Loi de Titus Bode. Mais bien sûr, les irrégularités du disque créent de nombreux écarts par rapport à la Loi de Titus Bode, expliquant qu'elle n'est pas rigoureuse, et même souvent fausse.

 

Le deuxième processus serait convectif. Le disque est un objet hydrodynamique, soumis aux forces gravitationnelles et orbitales, mais aussi à la thermodynamique des gaz. Nous en déduisons qu'il a une surface (équipotentielle), qui aurait l'air «horizontale» pour un observateur local, avec un espace «au-dessus» et de la matière «au-dessous». Mais au lieu d'une sphère, c'est un objet en forme de beignet, dont la section serait un prisme triangulaire (mince près de l'étoile, épais au loin). Et il est en équilibre hydrostatique, tout comme une étoile. Toutefois, contrairement à une planète, où l'horizontale montre des lieux qui ont des densités similaires, nous avons ici des densités très différentes en fonction de la distance au soleil.

Toutefois, la section près du centre est chaude, alors que les régions les plus périphériques sont froides. Nous aurons donc des courants de convection évacuant cette chaleur le long de la surface de l'anneau.

Dans un disque immobile, ces courants de convection s'écouleraient depuis le trou central, de manière radiale, le long de l'une ou des deux surfaces extérieures, tandis que la matière refroidie serait acheminées à nouveau vers le centre. Mais dans un disque en rotation, ces courants sont soumis à la force de Coriolis. Donc ils s'organisent en une série de mouvements toroïdaux, chaque vortex toroïdal étant d'un diamètre plus grand et de densité plus faible. Ces tourbillons créent une circulation zonale, comme les bandes sur Jupiter, mais au lieu de bandes autour d'une planète, ce sera des anneaux de diamètres croissants dans le disque d'accrétion. Cela fera que certaines zones vont tourner un peu plus vite que leur vitesse orbitale, tandis que d'autres tourneront plus lentement, comme les zones de vent d'est ou d'ouest sur une planète. Ce qui permet à la mécanique orbitale d'entrer en scène ici: si les anneaux modifient leur vitesse orbitale, ils augmentent ou diminuent le diamètre de leur orbite... Ainsi, certaines zones seront dépeuplées, et d'autres remplies et compressées... C'est ainsi que nous obtenons des annelets bien séparés, un pour chaque future planète! Ici encore, ce zonage peut expliquer la loi de Titus-Bode, et aussi ses écarts, car c'est très loin d'être un processus parfait. Il explique aussi que ces annelets conduisent à des planètes avec des orbites bien individualisés, qui ne permettent pas facilement des collisions plus tard.

Je réclame précédence pour ce modèle convectif en Janvier 2015.

 

 

Le troisième procédé serait le processus magnétohydrodynamique vu ci-dessus à propos de la formation des jets. Si il est assez puissant pour freiner le disque et le faire tomber sur l'étoile, il peut avoir des effets moindres tels que rassembler ou séparer des annelets, ou d'y former des tourbillons. Si les tournillons tournent autour du disque, alors ils sont d'évidentes graines pour les planètes, et en plus ils ont leurs propres jets pour freiner leur propre rotation.

 

Il est difficile de deviner sans simulations lequel des trois processus entre vraiment en jeu. Cela peut dépendre de conditions, ou probablement on a un mélange des trois. En outre, la façon dont s'organise réellement la convection est difficile à prévoir seulement par intuition, sans une complexe simulation numérique multi-échelle. Elle peut également conduire à des solutions non cylindriques, dans lequel le disque comporterait des tourbillons tournant autour de l'étoile. Ces trois processus complètement différent peuvent cependant donner le même résultat final: des planètes avec des orbites bien circulaires, obéissant plus ou moins à la Loi de Titus-Bode.

 

Le fait intéressant avec le mécanisme convectif brisant le disque en annelets, est qu'il implique tout le disque d'accrétion comme un seul objet hydrodynamique, où toutes les parties sont liées et interagissent fortement les unes avec les autres. Cela peut facilement créer les résonances trouvés sur les orbites planétaires, comme Mercure et la Terre. Ces résonances ne peuvent être établies qu'à ce moment, quand les proto-planètes sont encore en interaction dans un unique objet hydrodynamique. Aujourd'hui, il leur faudrait des milliers de milliards années pour s'établir. La cause fondamentale de ces résonances d'orbite dans un unique objet hydrodynamique n'est pas sans rappeler les cellules de Benard régulières dans une casserole d'eau. Chaque cellule interagit avec tous les autres.

 

Enfin, ces processus créent des régions clairement individualisées dans le disque d'accrétion, que j'appelle maintenant des annelets, avec des mouvements stables et clairement séparés, même si pas encore dans des zones séparées de l'espace. Comme il passe un certain temps dans cette situation, les solutions instables sont éliminées, par «collision» (mélange) des différents flux, sans explosions catastrophiques. Il est donc clair maintenant que chacun de ces annelets se condensera en une planète, et que les mouvements de ces planètes sont déjà organisés dans un système stable où les collisions ne sont plus susceptibles de se produire, et même pas les déplacements d'orbite. Et ces orbites possèdent déjà toutes les caractéristiques étranges qui ne peuvent pas apparaître plus tard, comme les résonances, les différences de composition, les orbites inclinées, les lunes rétrogrades, les Jupiters chauds, etc., même si elles ne sont pas encore visibles en tant qu'objets individualisés.

 

Il est à noter que, dans le processus astrodynamique vu plus haut, la condensation d'un annelet en une planète peut provoquer la fragmentation du disque d'accrétion entier en annelets. De sorte que nous avons un seul processus produisant simultanément les deux résultats.

Passer d'un annelet à un nuage de symétrie sphérique

 

Maintenant que nous avons des annelets bien individualisé, ou au moins des courants bien individualisés dans le disque d'accrétion, il nous faut les condenser en planètes. Cette compression secondaire va changer l'annelet d'un «O» à un «C», puis à un «(», puis un «,» et enfin à un «.». Il est clair qu'il doit y avoir un mécanisme fort impliquant l'annelet dans son ensemble, et le changeant rapidement en un nuage sphérique, avant de la planète elle-même se condense. Cela peut être un processus hydrodynamique quasi statique, impliquant l'annelet dans son ensemble, comme un objet unique, lié par la gravitation. Une forte preuve en est que l'on ne trouve jamais deux planètes sur une orbite unique, chacune au point de Lagrange de l'autre: cette configuration est pourtant stable, et elle se présenterait souvent si nous avions uniquement des processus indépendants dans différentes parties de l'annelet. Mais nous ne trouvons jamais de tels couples de planètes ou d'étoiles sur une orbite unique.

De par la remarque ci-dessus, je me demande même si il serait possible d'avoir une chaîne stable de planètes tout autour d'une étoile, chacune sur le point de Lagrange des autres. Une telle solution est-elle stable? Combien de planètes pourraient-elle cohabiter de cette façon sur la même orbite? Six? Ou ne peut-on avoir que deux planètes à 60° sur la même orbite? La question est fascinante, même si une telle structure ne peut pas apparaître naturellement. Mais elle pourrait être créée dans des systèmes solaires modifiés artificiellement, qui offriraient beaucoup plus d'espace habitable pour leurs habitants. Voir le chapitre VIII-10 sur la bioformation des planètes.

En fait, j'ai essayé deux fois de faire une simulation numérique de corps multiples sur la même orbite circulaire. Malheureusement, c'est beaucoup plus difficile qu'il n'y paraît, de par l'accumulation d'erreurs numériques et d'autres problèmes de simulation qui ne peuvent pas être résolus avec les logiciels PC courants. D'autres ont attaqué le problème, à l'aide de méthodes numériques ou analytiques, et ils ont trouvé des «chorégraphies» qui sont des solutions stables du problème à n corps. Voir ici une vidéo montrant des solutions étonnantes avec des orbites régulières. Malheureusement, elles sont très peu pratiques, car la distance au soleil varie considérablement. J'ai n'en ai pas trouvé de mentionnées avec n corps sur la même orbite circulaire.

 

Le processus passant d'un annelet toroïdal à un objet sphérique peut s'expliquer de cette façon: même si l'annelet en son entier est en apesanteur par rapport à l'étoile centrale, ses différentes parties s'attirent toujours les unes les autres. Dans un anneau parfait, les attractions des différents points s'annulent mutuellement, et l'anneau est stable. Mais la moindre irrégularité démarre un flux vers elle, le long de l'orbite. Ainsi les irrégularités se renforcent elles-mêmes. Ce processus ressemble beaucoup à la formation de gouttes de rosée sur un fil d'araignée: au lieu de former une gaine d'eau d'épaisseur constante autour du fil, la tension superficielle force l'eau à se rassembler dans des gouttes. Cependant, la tension superficielle n'a qu'une courte portée, et elle doit travailler contre d'autres forces, ce qui conduit à une chaîne stable de gouttes le long du fil. Au contraire, la gravitation a une portée potentiellement infinie: au lieu de former des gouttelettes autour de l'annelet, les amas vont rapidement se réunir en un seul. De sorte que nous n'avons jamais plusieurs planètes sur la même orbite, où elles entreront en collision plus tard: ces collisions ont lieu bien avant la formation des planètes, et elles impliquent la coalescence tranquille de nuages diffus, au lieu d'un choc catastrophique entre corps durs, éjectant des débris partout.

Soit dit en passant, dans le cas d'un anneau de Dyson artificiel en orbite autour d'une étoile, ce processus introduit un risque sérieux d'effondrement complet en une planète. Donc un tel anneau doit être soigneusement équilibré et entretenu. Un anneau abandonné s'effondrera probablement en un temps relativement court.

La loi de Titus Bode?

(Ajouté en Février 2016)

La loi de Titus Bode dit que les planètes ou les lunes en orbite autour d'un corps central, ont des orbites échelonnées selon une série régulière. Aujourd'hui, les astronome n'accordent pas une grande valeur à cette loi, car on trouve de nombreuses irrégularités, et même de franches exceptions. En outre, le rapport de la série est différent pour chaque système connu (En tenir compte est la loi de Dermott, et je devrais donc utiliser ce nom tout au long de ce chapitre. Mais il est peu connu, de sorte que je me tiens à l'expression bien connue)

Les trois processus décrits ci-dessus pour la séparation d'un disque d'accrétion en anneaux, le processus astrodynamique, le processus hydrodynamique, le processus magnétohydrodynamique, ou n'importe quel mélange des trois, expliquent la loi Titus Bode de manière satisfaisante. J'ajouterai même que le rapport de la série serait une fonction de la densité du disque: plus le disque est dense, plus ce rapport est élevé. Ceci est bien visible avec les principaux satellites de Jupiter, probablement le système de lunes le plus dense dans notre système solaire, qui a aussi le rapport le plus élevé. A l'autre extrême, les astéroïdes dans la ceinture d'astéroïdes et la ceinture de Kuyper, et les lunes externes de Pluton, ont tous des masses très faibles, avec un rapport faible. Cette relation entre la densité et le rapport, est une preuve solide du processus hydrodynamique.

Une preuve du processus astrodynamique est apparue récemment: les nombreux petits objets au-delà de Neptune ne sont pas dispersés au hasard, mais montrent clairement des regroupements, qui sont une continuation de la série de Titus Bode de l'ensemble du système solaire, au-delà de Neptune. Les astronomes disent que ces groupes (ou familles) sont le résultat de résonances avec Neptune. Ceci est bien compatible avec l'idée d'un premier corps à se former (probablement Jupiter) induisant la découpe du disque d'accrétion en anneaux, par résonance, jusqu'à bien au-delà de l'orbite de Neptune. Mais les corps au-delà de Neptune ont une masse très faible, et, dans le processus hydrodynamique, ne pouvaient pas influencer Neptune en retour, ni se rassembler en un corps unique par anneau. Ceci prouve que la découpe du disque au-delà de Neptune était plutôt astrodynamique.

Enfin, Pluton et sa famille sont une exception franche à la loi de Titus Bode. L'explication est très probablement que là, le disque d'accrétion a été endommagé par un courant de matière de la chute tardive, qui a heurté le disque principal, perturbant le système de lunes de Neptune et formant son propre anneau incliné. Cet anneau s'est plus tard condensé dans la famille de Pluton. Une situation similaire s'est probablement produite avec les Jupiters chauds et autres exoplanètes excentriques. De ce point de vue, notre propre système semble assez régulier. Mais même ainsi, les petits écarts avec la loi de Titus Bode sont bien expliquées par de petites irrégularités dans le disque d'accrétion.

D'un nuage à une planète

La compression finale d'une planète rejoue à nouveau toutes les étapes de la formation d'une étoile: disque d'accrétion, avec toutes les bizarreries menant à des systèmes de lunes irrégulières, différences de compositions, axe de rotation inclinés, orbites rétrogrades, planètes doubles (Terre-Lune) etc.. Et la formation des planètes nécessite aussi des jets, pour arrêter la rotation folle. Si ce n'était pas le cas, toutes les planètes aurait une forme de soucoupe volante, et le voyage dans l'espace serait possible à pied, depuis l'équateur !

 

Les résonances dans la Ceinture d'Astéroïdes et la Ceinture de Kuyper peuvent apparaître avec le processus astrodynamique, soit à l'étape du disque, soit beaucoup plus tard (nous avons une preuve de cela: la plupart des astéroïdes dans la Ceinture se sont formés récemment par collision entre des corps parents. Mais ils présentent déjà des résonances avec Jupiter, avec des orbites vides ou encombrés).

Dans ces ceintures, la masse totale disponible était beaucoup plus faible qu'avec les autres planètes (environ 1/1000ème de Mars dans la Ceintures d'Astéroïdes), de sorte que cet annelet n'a pas pu se condenser en un seul corps (par manque de force gravitationnelle). Ainsi, il s'est formé une chaîne irrégulière d'une douzaine de petits corps, comme avec les gouttes de rosée vus plus haut. Ces corps parents sont ensuite entrés en collision, pour donner les nombreux astéroïdes que nous avons aujourd'hui. Un processus semblable a oeuvré dans la Ceinture de Kuyper, mais les corps en cet endroit sont si éloignés que semble t-il aucun n'est entré en collision.

Encore plus loin, dans le Nuage d'Oort, la densité est si faible et l'échelle de temps si vaste que l'accrétion n'a jamais été en mesure de donner de grands corps, formant à la place de nombreuses comètes. Ici les vitesses relatives sont si lentes, que quand une poussière de glace en frappe une autre, ou une comète, elle fond et elle colle à la comète, au lieu d'exploser. De plus, la lenteur du processus fait qu'un noyau de comète tournant sur lui-même recevra de la poussière depuis des directions aléatoires, statistiquement annulant leur impulsion de rotation. Ainsi il ne se crée pas de rotation accélérée comme dans une accrétion d'étoile. Et c'est vérifiable: la limite intérieure de la formation des comètes serait là où les grains se vaporisent, et la limite supérieure serait quand ils rebondissent sans se coller entre eux. Cela peut être prédit avec précision.

 

Que notre système solaire soit relativement régulier implique que, dans notre cas, la chute tardive a peu perturbé le disque d'accrétion primaire. Cependant des perturbations semblent s'être produites dans les parties extérieures de celui-ci, où l'on trouve des comètes avec des orbites très elliptiques et des planètes naines très inclinée. Probablement notre chute tardive était faible, incapable de briser la partie centrale du disque, ayant seulement influencé les parties extérieures plus diffuses. Par contre la chute tardive était probablement le principal acteur dans tous les systèmes où l'on trouve des planètes très elliptiques ou des Jupiters chauds qui ne devraient pas être là.

Les orbites des comètes, qui sont proches de la chute libre, m'intriguaient depuis peut-être des années 1970. C'était une preuve que plusieurs processus très différents sont impliqués dans la formation d'un système solaire. Mais c'est la découverte des Jupiters chauds qui m'a mis vraiment sur la piste et m'a finalement permis d'assembler le puzzle présenté ici.

Touche finale

Ce modèle relativement complexe, surtout avec la chute finale, explique très bien tous les systèmes solaires que nous connaissons, avec des orbites circulaires ou elliptiques, une loi de Titus Bode ou sans, avec des orbites plates ou inclinée, des résonances, des corps doubles, des différences de composition, des écarts par rapport à la différenciation thermique et probablement beaucoup d'autres curiosités à découvrir. Et il le fait sans nécessiter d'événements rares, tels que des collisions.

 

Après, quand le système solaire est nettoyé des gaz et poussières restants, les planètes peuvent modifier lentement leurs orbites, pour des raisons astrodynamiques. Cela peut parfois conduire à des rencontres rapprochées et des changements brusques dans les orbites. Cependant, aucun événement de ce type n'est nécessaire pour expliquer les caractéristiques de notre système solaire. Les collisions ne sont pas non plus nécessaires pour expliquer l'évolution des systèmes de lunes autour des planètes géantes. La dynamique de l'anneau que je propose a éliminé les conditions pour de telles collisions, produisant un système solaire propre, vide de toutes les météorites que nous avons aujourd'hui.

 

Dernier point, nous avons eu, dans notre propre système solaire, un bombardement tardif de météorites inhabituellement grosses, de -4,2 à -3,8 milliards d'années, qui a créé plusieurs cratères immenses, sur toutes les planètes et les lunes, y compris ceux que nous voyons à le œil nu sur la lune. Il est difficile de comprendre ce qui l'a produit, et on peut envisager plusieurs raisons:

-Une collision entre astéroïdes. Cela s'est produit plusieurs fois dans la ceinture d'astéroïdes. Si les deux corps ont des orbites très différentes, les débris vont annuler une partie de leur vitesse, et se répandre sur de vastes étendues sur des orbites très elliptiques, capables d'atteindre la Lune et même Mercure.

-Un changement d'orbite brutal de quelque planète ou Lune, expulsant de nombreux corps de leur orbite.

-Une population spéciale de super-comètes formé lors de la dernière condensation dans la Ceinture de Kuyper ou le Nuage d'Oort.

-Une rencontre rapprochée de notre système solaire avec un autre système, ou avec des nébuleuses planétaires, un reste de supernova, ou encore avec un nuage interstellaire dense, apportant de grosses exocomètes.

-Une fusion de galaxies, bouleversant beaucoup de choses, ou menant notre système solaire dans des régions inhabituelles de l'espace.

-On se demande même si ce n'était pas simplement un effet statistique: si les météorites étaient plus nombreuses, les plus grosses étaient aussi plus nombreuses dans les mêmes proportions.

-Probablement plusieurs petits corps ont été laissés par la formation des planètes principales, dans les zones de faible densité entre les annelets principaux. N'étant pas sur des orbites stables, ils seraient entrés en collision entre eux, ou ils auraient formé le grand bombardement tardif. Dans cette catégorie d'explications, il a été supposé que la Terre avait une deuxième Lune plus petite, qui aurait éclaté par effet de marée avant que les morceaux tombent sur la Lune.

Aucun planétésimaux.

(Ajouté en janvier 2015)

Une autre chose que l'on entend souvent répéter dans les revues de vulgarisation scientifique, est que la poussière se soit rassemblée en petits corps appelés planétésimaux, qui se rassemblaient ensuite en petites planètes, puis en grosses planètes, par agrégation et collisions successives. Pour les médias, ils aiment l'aspect gros boum boum, comme d'habitude. Pour les scientifiques, ils ont probablement écrit cela à une époque où on n'avait pas encore compris qu'un nuage de poussière se comporte exactement comme un nuage de gaz (avec les mêmes lois de la thermodynamiques et de l'hydrodynamique). Nous avons de nombreux exemples sur la Terre, tels que les nuages pyroclastiques volcaniques, ou les courants de turbidité dans certaines vallées de l'océan.

Raisonner sur les grains de poussières en termes d'objets en orbites indépendantes induisait conceptuellement l'idée de collisions hiérarchiques. Cependant, nous savons que les collisions conduisent à la fragmentation, comme observé dans notre ceinture d'astéroïdes. Pour ces objets fragmentés, finir par se rassembler impliquerait plusieurs cycles de coalescence et de destruction, jusqu'à ce qu'ils aient épuisé toute leur énergie relative. Effectivement les astéroïdes sont souvent de simples amas de décombres. Cependant après 4.5 milliard d'années, ils ne sont toujours pas accrétés en un objet unique.

Raisonner sur les grains de poussière en termes de thermodynamique des gaz conduit à une conclusion très différente: ces grains sont déjà coordonnés par courants d'énergie similaire, bien avant que ces courants apparaissent comme des objets séparés dans des régions distinctes de l'espace. Et quand ils le font, ils peuvent se rassembler en une seule opération, par compression quasi statique d'un nuage de poussière, sans collisions impliquant de grands blocs. Un état solide «collisionable» n'apparaît qu'à la fin du processus. Ce processus est également observable sur Terre, lorsque des nuages pyroclastiques se déposent sur le sol, passant presque continûment d'un état «gazeux» à un état «solide». Une des lunes de Saturne, Méthone, présente cet étonnant état intermédiaire «liquide» entre nuage de poussière et solide, où l'activité hydrostatique lui donne une forme ovale parfaitement lisse, comme un œuf, sans cratères.

 

Si les collisions étaient nécessaires, il en faudrait des dizaines pour expliquer toutes les composition variées des lune et planètes de notre système solaire. Mais alors, produire des orbites circulaires régulières pour tous ces lunes demanderait tellement de paramètres ad hoc pour les impacteurs, qu'il est plus sûr d'invoquer l'action directe d'anges maniant des queues de billard. C'est pourquoi je considère le modèle des planétésimaux comme faux, même contre la majorité des astronomes et des astrophysiciens.

Accrétion finale du système Terre-Lune

J'explique l'accrétion finale des planètes sur cet exemple, puisque c'est le plus connu, et qu'en plus il présente une caractéristique intéressante: une planète double. La découverte de Charon autour de Pluton a montré que ces corps ne sont pas rares, et qu'ils doivent même apparaître régulièrement lorsque des conditions particulières sont rassemblées.

(Ajouté en Février 2016) Il est apparu depuis que les astronomes réservent le terme «planète double» au cas où le centre de masse est entre les deux corps (aucun exemple connu). Toutefois Je continuerai à utiliser la définition des étoiles doubles, pour souligner la similarité des processus de formation.

 

Voyons donc ce processus final en détails. En effet plusieurs transitions importantes se produisent, dans le processus menant d'un annelet à une planète solide.

 

La première transition est la compression quasi statique hydrodynamique d'un annelet en forme de C en un nuage sphérique. Cela pourrait être assez rapide. Mais cela conduit nécessairement à un objet qui est en rotation synchrone avec l'étoile centrale (ou la planète centrale). La raison en est que, dans un tel objet non sphérique, toute rotation par rapport à son centre de masse produit nécessairement de fortes frictions. Elle est donc amortie rapidement, ce qui mène automatiquement un objet verrouillé par effet de marée. Appelons donc ce processus d'annulation de la rotation: freinage par effet de marée. Et, puisqu'il agit sur un corps fluide qui est encore beaucoup plus grand qu'une planète, il peut être beaucoup plus fort, et donner un verrouillage rapide de n'importe quelle future planète. De sorte que le résultat du freinage par effet de marée est un objet qui tourne sur lui-même en un an, avec environ la même direction et plan que son orbite.

Cependant, à un moment, quand la compression continue et que le nuage devient sphérique, le freinage par effet de marée devient inefficace, et la rotation résiduelle augmentera à nouveau, de par la compression qui continue, jusqu'à la vitesse de rotation actuelle de la planète condensée. Voici donc l'explication de ces propriétés communes des planètes: axe de rotation parallèles à l'axe de l'étoile, dans la même direction, mais rotation plus rapide que la rotation annuelle. Aujourd'hui, la plupart des astronomes supposent que le freinage par effet de marée peut fonctionner sur les planètes solides eux-mêmes; toutefois, il est beaucoup moins efficace que sur le nuage, de sorte que la plupart des résonnances et des verrouillages dans notre système solaire seraient apparus bien avant que les planètes soient solides, quand elles étaient encore au stade de nuage.

 

La deuxième transition est quand des processus physico-chimiques commencent à se produire dans le nuage, quand il devient assez chaud.

Dans les planètes rocheuses proches de leur étoile, comme la Terre, très probablement la plupart des gaz (principalement d'hydrogène et d'hélium) sont chassés du nuage, tant qu'il est encore transparent. C'est le processus de différenciation thermique classique. On le voit sur la queue des comète, où les gaz et les poussières sont séparés en quelques heures, créant souvent une double queue aux comètes. Les seuls gaz et eau restants sont ceux qui sont adsorbés sur les grains de poussière.

Des exceptions peuvent se produire lorsque la chute tardive provoque une perturbation importante dans le disque d'accrétion, et apporte d'énormes masses de poussière et de gaz à proximité de l'étoile. Dans ce cas les gaz n'ont pas assez de temps pour être éjectés, et nous obtenons un «Jupiter chaud». Des bouffées plus petites, mais formées de matière fraîche de supernova, ne perturbent pas le disque d'accrétion, mais ils peuvent apporter un écart de composition ou une anomalie isotopique là où ils sont arrivés.

 

Voyons maintenant ce qui se passe dans un nuage sphérique de poussière, en équilibre thermodynamique quasi statique avec son propre champ gravitationnel.

Des simulations ont montré que, dans une planète sphérique entièrement gazeuse, la convection s'effectue sous la forme de vortex minces, dont l'axe est parallèle à l'axe de rotation de la planète, perçant entièrement la planète comme des aiguilles dans un coussin. Ces tornades sont cependant gênées par le noyau solide, de sorte qu'elles s'arrangent en une structure en cage écureuil, tangentes au noyau. Ainsi elles émergeant à la surface à une latitude donnée, formant les allées de tempêtes sur Jupiter et sur Saturne. Ainsi ces tempêtes ne sont pas des tempêtes météorologiques, mais l'équivalent de volcans sur une planète gazeuse, qui évacuent sa chaleur interne.

Dans un corps sans cœur solide, un tel système formera plus probablement une seule tornade sur l'axe de rotation, émergeant aux deux pôles, l'un aspirant de la matière comme un tourbillon, et l'autre crachant de la matière chaude des profondeurs. On remarque alors aisément que toute la matière du corps passera plusieurs fois par cette tornade! Et, ce faisant, les particules les plus lourdes ou les plus denses sont plus susceptibles d'être éjectées de la tornade, comme dans un séparateur à cyclone. Ceci peut donc être un processus très efficace pour séparer les grains de fer et les rassembler dans un cœur, de sorte que la différenciation peut démarrer, voire même être terminée, bien avant la planète commence à devenir liquide ou solide! Ainsi, lorsque le système Terre-Lune fut séparé, ce fer n'était logiquement plus disponible pour former la Lune. Ceci est juste un parmi de nombreux processus simples et communs expliquant que nous n'avons pas besoin d'événements rares comme des collision de planètes pour expliquer les différences de composition même entre les deux membres d'une planète double, comme le système Terre-Lune. Je vois plutôt cet écart comme une preuve que quelque degré de différenciation avait déjà eu lieu bien avant que la Terre soit solide.

On retrouve le même schéma dans le couple Pluton-Charon: Charon est moins dense, car il a reçu moins d'éléments rocheux de la source commune. De plus la présence de pas moins de quatre autres satellites en orbite bien circulaires et de même plan montre que l'ensemble s'est bien formé à partir d'une nébuleuse, et non pas d'une collision ou d'une capture.

 

Quand le nuage devient assez chaud pour fondre les particules, se produira un phénomènes de coalescence des gouttelettes fondues, qui modifiera les propriétés du «gaz» de poussière. On ne sait pas comment cela se passe, ni comment les propriétés du pseudo-gaz seront modifiées. Nous avons peu d'études sur ce point, car les expériences ne peuvent être réalisées qu'en apesanteur. Cependant, une règle générale en thermodynamique des gaz veut que réduire le nombre de particules diminue le résistance d'un gaz à la compression, de sorte que l'on peut réduire son volume avec peu d'énergie. Ainsi, lorsque le centre du nuage atteint la température de fusion, et que les gouttelettes s'agglomèrent, le nuage s'engagera dans un processus d'effondrement exponentiel, puisque l'effondrement fait fondre encore plus de poussière.

Il est fort probable que ce processus démarre dans le noyau, créant un noyau liquide, et qu'il se propage ensuite vers les couches extérieures. Selon la taille du corps, il résultera en une planète entièrement fondue, ou avec une couche de poussière résiduelle à sa surface. Toutefois si le corps est trop petit, il n'y aura pas de stade exponentiel, puisque les particules ne peuvent pas fondre. C'est probablement ce qui est arrivé dans les comètes, ou dans les plus petits astéroïdes où les chondrules qui les ont formés sont encore visibles.

Un cas particulier serait une planète de carbone suffisamment grosse pour fondre: puisque le carbone ne peut être liquide qu'à forte pression, la planète devrait s'entourer d'une atmosphère de carbone gazeux. Mais ce dernier, en refroidissant, retomberait immédiatement sous forme de suie. Ainsi une telle planète aurait-elle une convection hyper-violente, abaissant très vite la température jusqu'à ce qu'elle puisse supporter une surface solide suffisante pour contenir la pression du liquide.

 

On pourrait aussi avoir des processus chimiques plus subtils, un peu comme dans une chambre magmatique. Par exemple, même une très faible pression d'oxygène libre dans le nuage (ou de vapeur), en équilibre thermochimique avec les grains, peut porter l'ensemble du système à un équilibre chimique, oxydant les métaux les plus réactifs jusqu'à ce qu'il n'y ait plus assez d'oxygène pour oxyder tous le fer disponible. Les oxydes vont ensuite se combiner avec la silice, pour former des silicates qui formeront le manteau de la planète, tandis que le fer métallique restant va sombrer dans le noyau. Ainsi, ce n'est pas la quantité de fer qui dicte la taille du noyau métallique, mais la quantité d'oxygène disponible! Ce processus pourrait être toujours actif aujourd'hui, au contact entre le manteau et le noyau de la Terre, en particulier dans les zones où les ondes sismiques ont une très faible vitesse, où l'oxydation du fer du noyau semble toujours se produire, quoiqu'à un taux beaucoup plus faible, enrichissant lentement le manteau en fer.

 

 

Une troisième transition se serait produite, dans l'effondrement de la proto-Terre, au moment où la Terre et la Lune se sont séparés. Voyons ce qui a pu se passer, quand le nuage a atteint le diamètre de l'orbite de la Lune (qui était probablement beaucoup plus petite à ce moment, disons 100,000kms de diamètre). Nous avons un objet opaque et froid qui ressemble beaucoup à Jupiter, mais 1000 fois moins dense et sans coeur solide. A ce moment ce nuage est probablement encore sombre, et ressemble étonnamment à un globule de Bok, mais avec une surface d'apparence plus solide. Cette surface présente probablement des bandes comme Jupiter, et des allées de tempêtes comme Jupiter ou Saturne, causées par la convection des couches internes. Bien que très probablement nous n'avons qu'un seul cyclone perçant cet objet en entier d'un pôle à l'autre, car il n'y a pas encore de noyau solide pour entraver la convection interne. L'incandescence apparaîtra probablement bientôt, dans les cyclones remontant la matière du centre.

Cependant, à ce stade de compression rapide, la proto-Terre tourne si vite qu'elle prend la forme d'une ellipse aplatie, jusqu'à ce que l'équateur atteigne la vitesse orbitale. Mais cette ceinture équatoriale, en apesanteur par rapport au gros de l'objet, devient instable: chacune de ses parties tente d'attirer les autres. Donc toute perturbation, même minime, sera amplifiée: la ceinture équatoriale deviendra bientôt un renflement à une longitude donnée. Nous avons donc maintenant un objet en forme de cacahuète. Bien sûr, cet objet continue à se contracter autour des deux centres, mais ces deux centres ne se rapprochent plus. Ainsi ils forment deux objets distincts, la Terre et la Lune, laissant cette dernière sur une orbite bien circulaire. Voici comment la Lune a pris naissance, nativement en rotation synchrone. Et, comme le nuage de la proto-Terre était déjà un peu différencié, la proto-Lune n'a reçu pour sa part que de la matière extérieure moins dense.

Les freinage final par les jets

Plusieurs planètes ont des lunes, preuve qu'autrefois elles tournaient beaucoup plus vite qu'aujourd'hui. Dans l'affirmative, leur équateur devrait être toujours à la vitesse orbitale. Mais leurs vitesses de rotation aujourd'hui sont toujours dix à cent fois plus faibles. Preuve manifeste qu'un processus final a annulé efficacement presque toute leur vitesse de rotation.

D'une manière générale, presque tous les corps du système solaire tournent lentement, ce qui nous dit que des processus très communs ont annulé l'énergie de rotation du nuage qui les a formés. Les seules exceptions sont les astéroïdes qui se sont formés récemment par la coalescence de débris de collision: souvent ils tournent rapidement, montrant des formes allongées voire de cacahuète. Ce processus n'a pas pu se produire pour eux.

Ceci avait déjà été discuté à propos de la formation des étoiles, et ce processus est probablement magnétique, produisant des jets polaires et le freinage.

Toutefois il faut pour cela que le champ magnétique ait été beaucoup plus intense qu'il ne l'est aujourd'hui. C'est probable, étant donné que le nuage de poussière, en se condensant, a concentré le champ magnétique ambiant. (ce qui n'a pas pu arriver avec les astéroïdes récents)

Mais il faut aussi pour cela que le nuage de poussière conduise l'électricité. Cela semble moins probable, à moins d'invoquer un fond de gaz chaud, ou l'idée étrange d'un plasma de poussière froide: des grains de poussière portant des charges électriques. Nous pouvons voir de tels plasmas de poussière dans les panaches de volcan (où ils produisent de la foudre) et peut-être dans les TLE (Phénomènes lunaires transitoires, chapitre VII-5).

Ajouté en Janvier 2015: les mesures sur le disque de HL Tauri montrent que ses particules sont magnétisées. Dans ces conditions, il n'y a pas besoins d'un fort champ pour qu'elles régissent de manière à former des jets.

Ou tout simplement ce champ magnétique serait créé quand un noyau de fer liquide commence à se former. Puisqu'il tourne très vite, il produirait un champ puissant.

L'idée d'un plasma de poussière froide est très attrayante, si nous considérons le freinage final de corps de glace très petits comme Encelade ou les comètes. Ces corps n'aurait jamais survécu à un plasma de gaz chaud, et pourtant il a bien fallu qu'ils subissent une forme de freinage.

 

Curieusement, certains processus de notre magnétosphère aujourd'hui ressemblent encore étonnamment à ceux impliqués dans les dernières étapes de l'accrétion de la planète, lorsqu'ils produisent des jets. Bien sûr, en ce temps, la rotation était bien plus rapide, et le champ magnétique beaucoup plus puissant, ce qui entraînait de violents jets et un freinage efficace, tel que décrit ci-dessus. Aujourd'hui ces processus sont totalement insignifiants.

Ceci nous apprend que notre magnétosphère devrait encore produire des éjections polaires aujourd'hui! Ce serait bien, d'avoir un pico-quasar sous la main, pour étudier et comprendre comment les gros fonctionnent. Incroyable? Eh bien, la phrase précédente est une prédiction que j'avais faite indépendamment en 2012, pensant que rien de même vaguement similaire ne serait jamais trouvé, et que les scientifiques rejetteraient une idée aussi bizarre. Mais à peine quelques jours plus tard, alors que je cherchais de la documentation sur ce sujet, j'ai trouvé que des jets polaires terrestres ont été réellement observés par les satellites Themis. En faits, ce que Themis a trouvé est un peu plus compliqué, car les plasmas de la magnétosphère terrestres sont excités par le vent solaire, plutôt que par la rotation terrestre. Cependant ils ont observé des courants de Birkeland (un phénomène complexe où une «corde» de plasma et un courant se déplacent ensemble le long d'une ligne de flux magnétique: les mouvements hélicoïdaux des particules de plasma renforcent le flux magnétique, et ce dernier a tendance à contracter cette corde, donc à se renforcer lui-même et conserver la forme de la corde). Ces courants de Birkeland forment les aurores quand ils tombent vers le sol. Mais d'autres vont vers l'extérieur. THEMIS a même trouvé des cordes de courants reliant chacun des pôles de la Terre au Soleil! Nous avons donc vraiment des éjections polaires. En plus, les courants de Birkeland peuvent produire des champs électriques intenses, accélérer les particules à très hautes énergies, au point qu'ils sont invoqués pour expliquer les processus ultra-violents qui produisent les jets des quasar et les particules cosmiques de très haute énergie. Tout cela fait que la magnétosphère de la Terre ressemble un peu à un quasar, avec des jets et des particules rapides, bien qu'avec une source d'énergie externe au lieu de sa propre rotation.

Cependant, pour que ces phénomènes aient pu efficacement freiner la rotation ultra-rapide de la Terre nouvelle née, il a fallu un champ magnétique de plusieurs ordres de grandeur plus intense qu'aujourd'hui. Et, pour être en mesure d'absorber l'énorme énergie de rotation de la proto-Terre dans un temps si court, le freinage a dû être si violent que les forces appliquées à la proto-Terre auraient produit des processus terrifiants: vents supersoniques, vagues de lave de centaines de kilomètres, surchauffe, etc.. Nous pourrions même avoir un processus exponentiel: le chauffage de la Terre augmente de freinage, qui à son tour augmente de chauffage... La force de freinage étant plus vraisemblablement appliquée à l'Équateur, elle a du aplatir le bourrelet équatorial, expliquant pourquoi à ce stade les planètes (et les étoiles) ne forment plus de lunes (ou de planètes) avec l'un des processus décrits ci-dessus. A l'extrême, la Terre a probablement pris une forme de fuseau juste avant de devenir solide. Les pointes de ce fuseau pouvant facilement fournir beaucoup de matière pour la formation des jets.

Synthèse

Nous ne pouvons pas deviner sans calcul ni simulations dans quel ordre se produisent les trois transitions décrites ci-dessus. Juste la troisième arrivera logiquement après la première. Mais il est intéressant de voir que beaucoup de phénomènes peuvent se produire, expliquant la géométrie du système Terre-Lune, y compris les différences de composition, même provenant d'une source unique et homogène de matière.

Cependant, pour des tailles de planètes plus grandes, le processus se scission en cacahuète va arriver plus tôt et plus rapidement, par rapport à la fin de l'effondrement. Ce qui prédit que les planètes rocheuses plus grandes que la Terre ont plus de chances d'être des planètes doubles comme la Terre et la Lune. Les plus grosses planètes comme Jupiter et Saturne auront des Lunes d'un disque d'accrétion primaire ou secondaire, alors que Uranus et Neptune seraient des cas intermédiaires, où les disque d'accrétion et les processus de scission en cacahuète peuvent avoir oeuvré de concert. Au contraire, les planètes plus petites comme Mercure, Mars et même Vénus, n'ont pas pu former de Lunes, probablement parce que les jets du freinage final ont opéré trop tôt, ou leur rotation était trop lente, de sorte que le le processus de division en cacahuète ne s'est jamais produit.

 

Cependant, des petits corps comme Pluton et de nombreux objets de la Ceinture de Kuiper, ont des lunes. Les choses doivent se passer un peu différemment ici, du fait qu'ils sont surtout formés de glace, qui fond beaucoup plus facilement. Ainsi, la fusion de la poussière de glace va thermodynamiquement annuler la pression s'opposant à la condensation du nuage protoplanétaire, beaucoup plus tôt que la fusion de la roche. Donc ce nuage peut s'effondrer plus vite, rendant le processus de division en cacahuète plus probable. Donc il peut y avoir un lien entre le processus de division en cacahuète et la fusion de la poussière solide, probablement parce que la compression est beaucoup plus rapide à ce moment, et le processus de freinage ne peut pas absorber l'excédent soudain de rotation dû à une compression rapide.

La haute teneur en glace d'Uranus et de Neptune peut également avoir favorisé le processus de division en cacahuète, comme pour Pluton. Toutefois, dans ce cas, il cessé de jouer lorsque toute la glace a fondu, expliquant pourquoi Uranus et Neptune ont leurs lunes majeures en orbites plutôt lointaines, et seulement de petites proches. Leur faible excentricité montre cependant que ces petites lunes proches sont de vraies lunes et non pas des astéroïdes capturés.

 

Une remarque ici est que, il est souvent dit que la Lune a favorisé la vie sur Terre, avec la stabilisation de son axe de rotation, et donc du climat. Cet argument est considéré comme rendant la vie plus rare. Toutefois, il est annulé par le fait que les planètes de la taille de la Terre sont plus susceptibles d'avoir une Lune par le processus de division en cacahuète. Ainsi notre vue «unique à la Terre» de la Lune éclipsant exactement le soleil n'est peut-être pas si rare, après tout.

 

Nous notons que ce processus de division en cacahuète d'un nuage quasi statique est différent du processus de fragmentation d'un nuage turbulent décrit ci-dessus pour les étoiles. Il est aussi légèrement différent de la formation d'un disque d'accrétion primaire (formant un grand corps central avec de petites planètes ou des lunes sur des orbites circulaires) et très différent du disque d'accrétion formé par la chute tardive (formant des Jupiters chauds et des orbites elliptiques). Il n'est pas sûr quel processus se passe dans tel ou tel cas, mais ce processus de séparation en cacahuète peut également être une quatrième façon de former des systèmes d'étoiles multiples, donnant des étoiles rapprochées avec des orbites bien circulaires, assez proches pour échanger de la matière plus tard. Une bonne indication est le rapport statistiquement préférentiel des masse entre des étoiles très proches, qui indique qu'elles peuvent se former dans un processus de division en cacahuète, à un stade où elles se compressent rapidement.

 

La différence entre le disque d'accrétion primaire et le processus de division en cacahuète est dynamique: le processus de division en cacahuète se produit quand il se forme un lobe de Roche, alors que si il n'y en a pas assez de matière pour former un lobe de Roche, elle reste en disque d'accrétion primaire. Ainsi le processus en cacahuète donne directement un corps sphérique, alors que le disque primaire ne le fera que plus tard. Mais probablement en pratique il a des cas intermédiaires.

Les chondrules

Les chondrules sont de petits grains de sable qui sont le matériau de base des astéroïdes les plus primitifs de notre système solaire. Leur datation montre qu'ils se sont formé avant même le système solaire, dont ils étaient les composants les plus élémentaires.

Je prends cette composition des astéroïdes comme une preuve que ces astéroïdes ne sont pas formés par des collisions de planétésimaux, mais par un processus plus calme de compression ou coalescence de poussière. S'il y avait eu des collisions, on observerait des brèches d'impact, des amas aléatoires des blocs, des matières fondues et des fractures. La seule fonte que nous observons, s'est produite dans les astéroïdes suffisamment gros pour que de la lave se forme et les différencie, par la chaleur générée par l'aluminium 26. (Je ne parle pas ici des collisions qui se sont produites beaucoup plus récemment dans la Ceinture d'Astéroïdes. Je parle des rencontres de planétésimaux qui sont censées se produire au début de notre système solaire).

 

On trouve des chondrules avec une grande variété de compositions. Mais elles peuvent être classées en trois catégories:

-calcium-aluminium, qui peuvent être aussi grandes que 1cm, et ont été soumises à une température de 1300° C. Leur âge est de 4567,3 millions d'années.

-silicates, souvent enrichis en oxydes, sulfures et phosphates, qui ont subi un ou plusieurs courts chauffages à 1000° C, suivies d'un refroidissement rapide, en quelques minutes. Leur âge varie entre 4567.3 à 4564,7 millions d'années.

-carbonées, riches en carbone, matières organiques et souvent en fer, qui ont connu des températures de 200° C.

Dans les astéroïdes, elles sont incorporées dans une matrice de poussière beaucoup plus fine (1 micron). On pense que c'est de la matière de supernova brute.

Pour information, la Terre s'est formée il y a 4540 millions d'années, avec une incertitude de ±40 millions d'années. Les chondrules sont donc probablement plus anciennes que la Terre.

 

 

Il n'y a aujourd'hui aucune explication claire sur où et comment les chondrules se sont formés, bien qu'il soit généralement admis qu'elles se soient formés dans le disque d'accrétion de notre système solaire, avant que les planètes se forment, à partir du mélange brut de poussières interstellaires. La première catégorie pourrait même pointer à un événement de supernova spécifique. Le plus déroutant est la courte durée des événements de chauffage, qui indique plutôt des explosions, comme cela se passerait avec des collisions de planétésimaux. Mais encore une fois nous ne trouvons aucune autre trace de ces explosions.

 

Dans le modèle ci-dessus de convection toroïdale dans le disque d'accrétion, de la matière serait apportée près du soleil, puis s'en serait retournée au loin. Cependant la boucle la plus proche (celle de Mercure) prendrait plusieurs jours à parcourir, pas quelques minutes. Alors les événements formant les chondrules ont pu être des ondes de choc lors de la chute tardive, des éruptions solaires, etc.. Une hypothèse originale serait des sortes d'orages dans les flux toroïdaux, exposant soudain de la matière froide hors de l'ombre du disque, dans la chaleur du soleil, pour l'en retirer aussitôt. Je considérerais même la possibilité d'éclairs dans les nuages de poussière, un phénomène courant dans les volcans terrestres. Et une expérience relativement simple à faire, avec un arc électrique dans une chambre à basse pression.

Preuves observationnelles

(ajouté en Janvier 2015, d'après de nouvelles données disponibles depuis la rédaction initiale de ce chapitre)

 

La sonde Stardust a trouvé que la matière du disque d'accrétion original a été mélangée dans l'ensemble de son volume, de tout près du soleil jusqu'aux aux confins. En effet, Stardust a trouvé de l'olivine, qui ne peut se former qu'à 1027° C, et des matières organiques très volatiles qui ne peuvent exister qu'au-delà de l'orbite de Jupiter. Ce fort mélange dans le disque d'accrétion en entier peut être une preuve du modèle de convection toroïdale. (Quoique d'autres solutions ont été proposées, comme des jets polaires trop faibles retombant sur le disque).

 

Nous avons maintenant une preuve observationnelle que des collisions entre grosses planètes ne se sont jamais produites dans notre système. On a trouvé récemment une signature très claire d'une telle collision entre grosses planètes dans HD 172555, un système solaire en formation âgé de 12 millions d'années. Ce système présente environ une masse lunaire en poussière d'obsidienne, magma refroidi rapidement (tectites), et roche vaporisée (monoxyde de silicium) dans la chaleur fantastique de l'explosion. C'est donc statistiquement possible, mais rare. Un seul cas a été trouvé, pointant à une bonne efficacité des processus que je décris à produire des orbites de formes clairement individualisées, qui ne se tamponnent pas par la suite.

Ce qui est important de noter ici est qu'aucun monoxyde de silicium n'a été trouvé dans notre système, ce qui invalide l'idée d'une Terre et d'une Lune formés lors d'une telle collision, ainsi que tous les autres événements de collision supposée (Vénus, Neptune, Mars, etc.). Surtout, la vitesse d'impact nécessaire à la formation de fumée de silice (monoxyde de silicium) est quelque chose comme 10km/s, alors qu'un corps de la taille de la Terre et un corps de la taille de Mars ne peuvent pas se rencontrer à moins de 16km/s. Donc, nous sommes sûrs qu'aucune collision aussi grosse ne s'est jamais produite, et le système Terre-Lune doit être expliqué par le seul processus d'accrétion.

Note: la température atteinte lors d'une collision hypersonique ne dépend pas beaucoup de la taille ou de la composition des objets, mais surtout de la vitesse.

Note: Il est bien établi que nous avons eu plusieurs collisions récentes dans la Ceinture d'Astéroïdes. Cependant ces collisions a entraîné la fragmentation des corps parents, et pas d'accrétion en grands systèmes réguliers.

La preuve la plus fantastique est toutefois venue de cette image historique de HL Tauri, prise par le télescope millimétrique d'Atacama et publiée en 2014.

Il s'agit du premier disque d'accrétion photographié en détails, et il a beaucoup surpris les astronomes. La raison est qu'ils pensent que les espaces sombres sont formés par les planètes, tandis que les anneaux lumineux ne seraient que des restes. Que les planètes se soient déjà formées dans un système vieux de seulement un million d'années est tout à fait étonnant, et va à l'encontre des modèles actuels.

Mais je ne suis pas du tout surpris de cette image, qui montre exactement ce que j'attendais. D'après le modèle de convection toroïdale dans le disque d'accrétion, les planètes ne sont pas encore formées. Mais les anneau de convection toroïdaux sont déjà bien individualisés et séparés, prêt à évoluer chacun en une planète. Ce disque ressemble même beaucoup à notre propre système solaire: les parties extérieures donneront de nombreuses planètes naines style Ceinture de Kuyper. Les grosses lacunes foncées donneront les ceintures d'astéroïdes, et la partie la plus dense au milieu donnera des planètes rocheuses.

Toujours à propos de cette image, l'émission millimétrique a permis de trouver un champ magnétique complexe, en partie polaire, en partie suivant les anneaux. Mon explication est que ce sont les particules de poussière chargées électriquement qui produisen ce champ magnétique. Il est alors disponible pour le freinage final. L'article explique que la plupart des grains de poussière ont tendance à se déplacer le long des lignes magnétiques. Ce champ magnétique était prédit plus haut dans ce chapitre, comme explication au freinage final des corps froids par les mêmes effets magnétiques que les corps chauds.

 

Ajouté le 22 Juin 2016: Pour preuve, une nouvelle catégorie d'étoiles est venue récemment à notre attention: le type Fu Orionis, ou Fuor en bref. Ces étoiles sont de très jeunes étoiles montrant de grandes variations de luminosité, causées par des épisodes de forte accrétion de matière. Je pense que cela correspond bien au modèle que je propose, dans le cas extrême où la démolition et la reconstruction successive d'un disque d'accrétion secondaire atteint la surface de l'étoile. Le point remarquable est que ces étoiles sont rares, une très faible proportion des étoiles de cet âge (six seulement connues), plus rares encore que les étoiles âgées avec des «Jupiters chauds». Ceci confirme la règle générale comme quoi le disque d'accrétion ne spirale pas de sa propre initiative, à moins qu'un flux externe de matière le fasse s'effondrer plus près de l'étoile.

 

(Ajouté le 19 Septembre 2017). La découverte récente du système solaire de l’étoile Trappist-1, le premier connu en détails, confirme les vues de ce chapitre, en montrant une loi de Titus-Bode. Mieux, ce système est allé plus loin, jusqu’à des rapports entiers exacts. Vu les relations très proches des différentes planètes, ces rapports exacts peuvent être apparus après la formation du système, par effet de marée. Mais qu’une telle régularité existe pour sept planètes à la file nécessite tout de même qu’une loi de Titus-Bode au moins approximative existait déjà dans le disque d’accrétion, comme expliqué dans ce chapitre. Faute de quoi, l’effet de marée aurait conduit ce système au chaos.

Conclusions

Ce modèle n'est pas un modèle simple, il implique plusieurs mécanismes différents et opposés, certains jamais décrits auparavant, oeuvrant pour produire une variété de systèmes solaires, montrant de petits ou grands écarts par rapport à un schéma régulier de base. Mais il est difficile d'aller plus loin en utilisant uniquement la déduction et l'intuition: simulations et calculs intensifs sont aussi nécessaires, surtout pour la dynamique complexe d'un disque d'accrétion hydrodynamique actif, dont nous n'avons aujourd'hui que très peu de donnée d'observation et seulement des simulations très récentes (2014). Les simulations sont aussi nécessaires pour la phase tardive de la condensation d'une planète, en particulier pour toutes les interactions chimiques. Mais ce travail est bien au-delà des capacités d'une personne seule survivant avec une allocation d'une petitesse insultante.

Il est particulièrement difficile de deviner lequel des mécanismes décrits ici a effectivement lieu: disque primaire ou séparation en cacahuète, arrivée tardive et disque secondaire, séparation astrophysique ou hydrodynamique, convection toroïdale ou tourbillons, freinage magnétique ou mécanique, différenciation thermique, séparation cyclone des poussières, etc.. Très probablement un ou deux domine, selon les cas.

Nous avons aussi besoin de connaissance beaucoup plus précise des autres systèmes solaires. Aujourd'hui (2011), nous ne connaissons que les cas les plus exotiques. C'est comme de faire une statistique des étoiles en utilisant seulement les étoiles visibles à le œil nu: elle ne montre aucune structure, même pas la séquence principale de Hertzprung Russel.

 

Toutefois, une conclusion pratique du présent chapitre est que nous n'avons pas besoin d'événements extraordinaires pour expliquer toutes les caractéristiques des planètes et des orbites. Notre système solaire est tout à fait ordinaire, totalement dépourvu de toute caractéristique unique ou spéciale. Mais même des caractéristiques extraordinaires n'empêchent pas des planètes habitables de se former. Cela fait que les conditions nécessaires à l'apparition de la vie peuvent également se produire n'importe où, dans une grande variété de lieux, certains ressemblant à la Terre, certains très différents.

 

Dernière remarque, c'est que des exoplanètes ont été trouvés autour d'étoiles très anciennes, qui n'avaient que 1% des matières solides de notre système solaire. L'explication probable est que la taille des planètes ne dépend pas de la quantité d'éléments solides, tant qu'il y en a suffisamment. C'est une contribution très intéressante, car nous savons maintenant que des planètes habitables peuvent exister depuis beaucoup plus longtemps que la Terre, et qu'elles ont donc permis une évolution beaucoup plus longue de la vie.

Premier terme de l'équation de Drake

Nous sommes maintenant très sûrs, d'après les statistiques des exoplanètes déjà découvertes en 2015, que les cas extraordinaires déjà trouvés ne sont que la pointe d'une distribution beaucoup plus large, rendant presque certain que la grande majorité des étoiles ont des planètes stables. Disons une valeur prudente de 80%, même si je suis sûr que c'est dans les 98 % ou plus.

Le seul cas litigieux est celui des étoiles doubles. Il était jusqu'à tout récemment estimé que les systèmes d'étoiles doubles ne pouvaient pas avoir de planètes, en raison des orbites irrégulières qu'elles auraient. Cependant il n'y a pas de différence essentielle entre les systèmes avec des petites planètes comme le nôtre, avec des systèmes avec de grosses planètes avec des lunes, et même avec des systèmes avec des corps assez gros pour former des étoiles en orbite avec leurs propres planètes. Ces systèmes sont parfaitement en mesure d'avoir des planètes autour d'un de leurs composants. Mais encore plus récemment, on a constaté que même des étoiles doubles de taille égale peuvent avoir des planètes, assez proches de chaque étoile, ou beaucoup plus loin du couple.

Les statistiques sur les exoplanètes connues ne sont toujours pas suffisantes pour tirer des conclusions claires sur la probabilité de planètes autour d'étoiles doubles. La moitié des étoiles étant double, supposer qu'aucune n'a de planètes apporte un facteur pessimiste de 2 au premier terme de l'équation de Drake. Ceci ne fait augmenter la distance de notre voisine la plus proche que de 25%

Ceci nous fait une valeur très prudente de 0,4 pour fp le premier terme de l'équation de Drake. Si nous considérons que notre plus proche voisin est à 4,3 années-lumière, alors statistiquement, nous devrions trouver la plus proche exoplanète à 6 années-lumière.

La plus proche exoplanète effectivement trouvée (janvier 2015) est à 11,9 années-lumière, ce qui fait une valeur minimale de 0,05 pour fp. Une estimation très pessimiste, étant donné que nous pouvons nous attendre à encore beaucoup de découvertes plus proches.

(Ajouté en Juin 2015) En effet, aujourd'hui la méthode la plus utilisée pour trouver des exoplanètes est celle des occultations. Pour des extraterrestres trouver une planète de notre système solaire de cette façon, il leur faut être dans une zone étroite d'environ 3° autour de notre écliptique, là où sont la plupart des planètes. Il y a environ une chance sur 60 qu'ils y soient. Ce facteur, appliqué à la valeur observé de 0.05 pour fp, ramène notre plus proche voisin théorique à seulement 3 années-lumière! On peut donc poser avec une grande certitude que fp est proche de 1.

 

(Ajouté en Juin 2015) La Base de données des exoplanètes montre tout de même une planète de taille terrestre autour de Proxima centauri B, c'est à dire notre plus proche voisine, ce qui confirme brillament l'estimation précédente de 0,4 à 1 pour fp.

 

 

 

 

 

 

Epistémologie Generale        Chapitre VIII-2       

 

 

 

 

 

 

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