Une étude du MIT suggère qu’un mystérieux écart existait dans le disque protoplanétaire du système solaire il y a environ 4,567 milliards d’années, et a probablement façonné la composition des planètes du système solaire. Cette image montre l’interprétation d’un artiste d’un disque protoplanétaire. Crédit : National Science Foundation, A. Khan
Remontez l’horloge cosmique de quelques milliards d’années et notre système solaire était très différent de ce qu’il est aujourd’hui. Il y a environ 4,5 milliards d’années, le jeune Soleil brillait comme il le fait maintenant, bien qu’il soit un peu plus petit. Au lieu d’être entouré de planètes, il était entouré d’un disque tourbillonnant de gaz et de poussière. Ce disque s’appelle un disque protoplanétaire et c’est là que les planètes se sont finalement formées.
Il y avait un écart évident dans le disque protoplanétaire du système solaire primitif, entre l’endroit où Mars et Jupiter sont maintenant et où se trouve la ceinture d’astéroïdes moderne. Ce qui a exactement causé l’écart est un mystère, mais les astronomes pensent que c’est un signe des processus qui ont régi la formation des planètes.
Un groupe de scientifiques a publié un article décrivant la découverte de cette ancienne lacune. L’auteur principal est Cauê Borlina, docteur en sciences planétaires. étudiant au Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes (EAPS) du Massachusetts Institute of Technology (AVEC). Le titre de l’article est « Preuve paléomagnétique d’une sous-structure de disque au début du système solaire ». C’est publié dans la revue Avancées scientifiques.
Grâce à des installations telles que l’Atacama Large Millimeter/sub-Millimeter Array (ALMA), les astronomes étudient de mieux en mieux les systèmes solaires plus jeunes qui ont encore des disques protoplanétaires et qui forment toujours des planètes. Ils ont souvent des lacunes et des anneaux bien visibles qui sont la preuve de la formation de planètes. Mais comment tout cela fonctionne exactement est encore un mystère.
« Au cours de la dernière décennie, les observations ont montré que les cavités, les lacunes et les anneaux sont courants dans les disques autour d’autres jeunes étoiles », explique Benjamin Weiss, co-auteur de l’étude et professeur de sciences planétaires au département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes du MIT ( EAPS). “Ce sont des signatures importantes mais mal comprises des processus physiques par lesquels le gaz et la poussière se transforment en jeunes soleil et planètes.”
La meilleure image d’ALMA d’un disque protoplanétaire à ce jour. Cette image de la jeune étoile voisine TW Hydrae révèle les anneaux et les lacunes classiques qui signifient que les planètes sont en formation dans ce système. Crédit : S. Andrews (Harvard-Smithsonian CfA) ; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF) ; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
La preuve d’une lacune dans le disque protoplanétaire de notre propre système solaire il y a environ 4,5 milliards d’années vient de l’étude des météorites.
Les champs magnétiques du système solaire ont eu un effet sur la structure des météorites. Le paléomagnétisme a façonné les minuscules roches du disque protoplanétaire appelées chondres. Les chondrules sont des morceaux de roche ronde fondus ou partiellement fondus qui se sont accumulés en un type de météorite appelé chondrites. Et les chondrites sont parmi les roches les plus anciennes du système solaire.
Au fur et à mesure que les chondres se refroidissaient, ils conservaient un enregistrement des champs magnétiques de l’époque. Ces champs magnétiques changent avec le temps à mesure que le disque protoplanétaire évolue. L’orientation des électrons dans les chondres est différente selon la nature des champs magnétiques du moment. Collectivement, tous ces chondres dans tous ces chondrites racontent une histoire.
Il s’agit d’une image d’une chondrite nommée NWA 869 (Afrique du Nord-Ouest 869) trouvée dans le désert du Sahara en l’an 2000. Des grains métalliques et des chondres sont visibles sur la face coupée. Crédit d’image : H. Raab (utilisateur : Vesta), Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
Dans cette étude, le groupe a analysé les chondres de deux météorites carbonées découvertes en Antarctique. Ils ont utilisé un appareil appelé SQUID, ou Scanning supraconducting Quantum Interference Device. CALAMAR est un magnétomètre haute sensibilité et haute résolution utilisé sur des échantillons géologiques. L’équipe a utilisé SQUID pour déterminer l’ancien champ magnétique d’origine pour chaque chondre des météorites.
L’étude est également basée sur un phénomène appelé dichotomie isotopique. Deux familles distinctes de météorites sont tombées sur Terre, chacune avec une composition isotopique différente, et les scientifiques ont conclu que les deux familles devaient s’être formées à des moments et des endroits différents au début du système solaire. Les deux types sont appelés carbonés (CC) et non carbonés (NC). Les météorites CC contiennent probablement des matériaux du système solaire externe, tandis que les météorites NC contiennent probablement des matériaux du système solaire interne. Certaines météorites contiennent les deux empreintes isotopiques, mais c’est très rare.
Les deux météorites que l’équipe a étudiées sont toutes deux de type CC du système solaire externe. Lorsqu’ils les ont analysés, ils ont découvert que les chondres présentaient des champs magnétiques plus puissants que les météorites NC qu’ils avaient analysées précédemment.
Ceci est contraire à ce que pensent les astronomes dans un jeune système solaire. À mesure qu’un jeune système évolue, les scientifiques s’attendent à ce que les champs magnétiques se désintègrent avec la distance du Soleil. La force magnétique peut être mesurée en unités appelées microteslas, et les chondres CC ont montré un champ d’environ 100 microteslas, tandis que les chondres NC montrent une force de seulement 50 microteslas. A titre de comparaison, le champ magnétique terrestre est aujourd’hui d’environ 50 microteslas.
Le champ magnétique indique comment un système solaire accumule de la matière. Plus le champ est puissant, plus il peut aspirer de matière. Les forts champs magnétiques apparents dans les chondres des météorites CC montrent que le système solaire externe accumulait plus de matière que la région interne, ce qui ressort de la taille des planètes. Les auteurs de cet article ont conclu qu’il s’agit de la preuve d’un grand écart, qui a en quelque sorte empêché la matière de s’écouler dans le système solaire interne.
« Les lacunes sont courantes dans les systèmes protoplanétaires, et nous montrons maintenant que nous en avions une dans notre propre système solaire », explique Borlina. “Cela donne la réponse à cette étrange dichotomie que nous voyons dans les météorites et fournit la preuve que les lacunes affectent la composition des planètes.”
Tout cela se combine en des preuves solides d’un écart important et inexpliqué dans le système solaire primitif.
Les images haute résolution d’ALMA des disques protoplanétaires à proximité, qui sont le résultat du projet de sous-structures de disque à haute résolution angulaire (DSHARP). Crédit : ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al. ; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
Jupiter est de loin la planète la plus massive, c’est donc un bon endroit pour commencer à comprendre comment tout cela s’est déroulé dans notre propre système solaire. Au fur et à mesure que Jupiter grandissait, sa puissante gravité a peut-être joué un rôle. Il aurait pu chasser le gaz et la poussière du système solaire interne vers la périphérie, laissant un espace entre lui et Mars dans le disque en évolution.
Une autre explication possible vient du disque lui-même. Les premiers disques sont façonnés par leurs propres champs magnétiques puissants. Lorsque ces champs interagissent les uns avec les autres, ils peuvent créer des vents puissants qui peuvent déplacer des matériaux et créer un espace. La gravité de Jupiter et les champs magnétiques dans le protoplanétaire pourraient s’être combinés pour créer l’écart.
Mais ce qui a causé l’écart n’est qu’une question. L’autre question est quel rôle a-t-il joué ? Comment a-t-il contribué à tout façonner depuis sa formation il y a plus de quatre milliards d’années ? Selon le document, l’espace lui-même peut avoir agi comme une barrière infranchissable qui empêchait les matériaux de chaque côté d’interagir. À l’intérieur de l’espace se trouvent les planètes terrestres et à l’extérieur de l’espace se trouvent les mondes gazeux.
“Il est assez difficile de franchir cet écart, et une planète aurait besoin de beaucoup de couple et d’élan externes”, a déclaré l’auteur principal Cauê Borlina dans un communiqué de presse. “Donc, cela fournit la preuve que la formation de nos planètes était limitée à des régions spécifiques du système solaire primitif.”
Publié à l’origine le Univers aujourd’hui.
Référence : “Paleomagnetic evidence for a disk substructure in the early solar system” par Cauê S. Borlina, Benjamin P. Weiss, James FJ Bryson, Xue-Ning Bai, Eduardo A. Lima, Nilanjan Chatterjee et Elias N. Mansbach, 15 octobre 2021, Avancées scientifiques.
DOI : 10.1126/sciadv.abj6928
