La Lune et ses taches sombres. Crédit d'image: NASA. Cliquez pour agrandir.
Les gens de toutes les cultures ont été fascinés par les «taches» sombres sur la Lune, qui semblent composer la figure d'un lapin, des grenouilles ou le visage d'un clown. Avec les missions Apollo, les scientifiques ont découvert que ces caractéristiques sont en fait d'énormes bassins d'impact qui ont été inondés de lave maintenant solidifiée. Une surprise a été que ces bassins se sont formés relativement tard dans l'histoire du premier système solaire - environ 700 millions d'années après la formation de la Terre et de la Lune. De nombreux scientifiques pensent maintenant que ces bassins d'impact lunaire témoignent d'une énorme augmentation du taux de bombardement des planètes - appelé le bombardement lourd tardif (LHB). Cependant, la cause d'un bombardement aussi intense est considérée par beaucoup comme l'un des mystères les mieux préservés de l'histoire du système solaire.
Dans une série de trois articles publiés dans le numéro de cette semaine de la revue Nature, une équipe internationale de scientifiques planétaires, Rodney Gomes (Observatoire national du Brésil), Harold Levison (Southwest Research Institute, États-Unis), Alessandro Morbidelli (Observatoire de la C ? te d'Azur, France) et Kleomenis Tsiganis (OCA et Université de Thessalonique, Grèce) - réunis par un programme de visiteurs organisé à l'Observatoire de la Côte d'Azur à Nice - ont proposé un modèle qui non seulement résout naturellement le mystère de l'origine du LHB, mais explique également bon nombre des caractéristiques observées du système planétaire extérieur.
Ce nouveau modèle prévoit que les quatre planètes géantes, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune, se sont formées dans une configuration orbitale très compacte, qui était entourée d'un disque de petits objets faits de glace et de roche (appelés «planétésimaux»). Des simulations numériques de l'équipe de Nice montrent que certains de ces planétésimaux ont lentement fui du disque en raison des effets gravitationnels des planètes. Les planètes ont dispersé ces petits objets dans tout le système solaire, parfois vers l'extérieur et parfois vers l'intérieur.
«Comme Isaac Newton nous l'a enseigné, pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée», explique Tsiganis. «Si une planète jette un planétésimal hors du système solaire, la planète se déplace vers le Soleil, juste un tout petit peu, en compensation. Si, en revanche, la planète disperse le planétésimal vers l'intérieur, la planète saute légèrement plus loin du Soleil. »
Les simulations numériques montrent qu'en moyenne, Jupiter s'est déplacé vers l'intérieur tandis que les autres planètes géantes se sont déplacées vers l'extérieur.
Initialement, ce fut un processus très lent, prenant des millions d'années pour que les planètes se déplacent un peu. Ensuite, selon ce nouveau modèle, après 700 millions d'années, la situation a soudainement changé. À cette époque, Saturne a migré à travers le point où sa période orbitale était exactement le double de celle de Jupiter. Cette configuration orbitale spéciale a fait que les orbites de Jupiter et de Saturne sont soudainement devenues plus elliptiques.
«Cela a rendu les orbites d'Uranus et de Neptune devenues folles», explique Gomes. "Leurs orbites sont devenues très excentriques et ils ont commencé à se disperser gravitationnellement - et à Saturne aussi."
L'équipe de Nice fait valoir que cette évolution des orbites d'Uranus et de Neptune a provoqué le LHB sur la Lune. Leurs simulations informatiques montrent que ces planètes ont très rapidement pénétré le disque planétésimal, dispersant des objets à travers le système planétaire. Beaucoup de ces objets sont entrés dans le système solaire intérieur où ils ont parsemé la Terre et la Lune d'impacts. De plus, l'ensemble du processus a déstabilisé les orbites des astéroïdes, ce qui aurait alors également contribué au LHB. Enfin, les effets gravitationnels du disque planétésimal ont fait évoluer Uranus et Neptune sur leurs orbites actuelles.
"C'est très convaincant", déclare Levison. «Nous avons fait plusieurs dizaines de simulations de ce processus, et statistiquement, les planètes se sont retrouvées sur des orbites très similaires à celles que nous voyons, avec les séparations, excentricités et inclinaisons correctes. Ainsi, en plus du LHB, nous pouvons également expliquer les orbites des planètes géantes. Aucun autre modèle n'a jamais accompli une telle chose auparavant. »
Cependant, il y avait encore un obstacle à surmonter. Le système solaire contient actuellement une population d'astéroïdes qui suivent essentiellement la même orbite que Jupiter, mais qui mènent ou suivent cette planète d'une distance angulaire d'environ 60 degrés. Les simulations informatiques montrent que ces corps, connus sous le nom d '«astéroïdes troyens», auraient été perdus lorsque les orbites des planètes géantes ont changé.
«Nous nous sommes assis pendant des mois à nous inquiéter de ce problème, qui semblait invalider notre modèle», explique Morbidelli, «jusqu'à ce que nous réalisions que si un oiseau peut s'échapper d'une cage ouverte, un autre peut venir s'y nicher.»
L'équipe de Nice a découvert que certains des objets mêmes qui étaient à l'origine de l'évolution planétaire et à l'origine du LHB auraient également été capturés sur des orbites d'astéroïdes troyens. Dans les simulations, les chevaux de Troie piégés se sont avérés reproduire la distribution orbitale des chevaux de Troie observés, qui était jusqu'à présent inexpliquée. La masse totale prévue des objets piégés était également cohérente avec la population observée.
Au total, le nouveau modèle de l’équipe de Nice explique naturellement les orbites des planètes géantes, des astéroïdes troyens et du LHB avec une précision sans précédent. «Notre modèle explique tellement de choses que nous pensons qu'il doit être fondamentalement correct», explique Mordibelli. "La structure du système solaire externe montre que les planètes ont probablement subi une secousse bien après la fin du processus de formation de la planète."
Source originale: Communiqué de presse SWRI
