Une étude du MIT suggère qu’un écart mystérieux 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
Les scientifiques trouvent des preuves que le système solaire primitif abritait un écart entre ses régions intérieure et extérieure.
La frontière cosmique, peut-être causée par un jeune Jupiter ou un vent émergent, a probablement façonné la composition des planètes naissantes.
Au début du système solaire, un « disque protoplanétaire » de poussière et de gaz tournait autour du soleil et s’est finalement fondu dans les planètes que nous connaissons aujourd’hui.
Une nouvelle analyse des météorites anciennes par des scientifiques de AVEC et ailleurs suggère qu’un mystérieux trou existait au sein de ce disque il y a environ 4,567 milliards d’années, près de l’emplacement où se trouve aujourd’hui la ceinture d’astéroïdes.
Les résultats de l’équipe, publiés le 15 octobre 2021, dans Avancées scientifiques, fournissent des preuves directes de cet écart.
« 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, professeur de sciences planétaires au Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes (EAPS) du MIT. “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.”
De même, la cause d’un tel écart dans notre propre système solaire reste un mystère. Une possibilité est que Jupiter ait pu avoir une influence. Au fur et à mesure que la géante gazeuse prenait forme, son immense attraction gravitationnelle aurait pu pousser du gaz et de la poussière vers la périphérie, laissant derrière elle un espace dans le disque en développement.
Une autre explication peut avoir à voir avec les vents émergeant de la surface du disque. Les premiers systèmes planétaires sont régis par de forts champs magnétiques. Lorsque ces champs interagissent avec un disque rotatif de gaz et de poussière, ils peuvent produire des vents suffisamment puissants pour souffler de la matière, laissant derrière eux un espace dans le disque.
Quelles que soient ses origines, une lacune dans le système solaire primitif a probablement servi de frontière cosmique, empêchant les matériaux de chaque côté de celui-ci d’interagir. Cette séparation physique pourrait avoir façonné la composition des planètes du système solaire. Par exemple, à l’intérieur de l’espace, le gaz et la poussière se sont regroupés en planètes telluriques, y compris la Terre et Mars, tandis que le gaz et la poussière sont relégués de l’autre côté de la brèche formée dans les régions plus glaciales, comme Jupiter et ses géantes gazeuses voisines.
«Il est assez difficile de franchir cet écart, et une planète aurait besoin de beaucoup de couple et d’élan externes», explique l’auteur principal et étudiant diplômé de l’EAPS Cauê Borlina. “Donc, cela fournit la preuve que la formation de nos planètes était limitée à des régions spécifiques du système solaire primitif.”
Les co-auteurs de Weiss et Borlina incluent Eduardo Lima, Nilanjan Chatterjee et Elias Mansbach du MIT ; James Bryson de l’Université d’Oxford ; et Xue-Ning Bai de l’Université Tsinghua.
Une scission dans l’espace
Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont observé une curieuse division dans la composition des météorites qui ont atteint la Terre. Ces roches spatiales se sont formées à l’origine à différents moments et à différents endroits au fur et à mesure que le système solaire prenait forme. Ceux qui ont été analysés présentent l’une des deux combinaisons isotopiques. On a rarement trouvé que les météorites présentaient les deux – une énigme connue sous le nom de « dichotomie isotopique ».
Les scientifiques ont proposé que cette dichotomie puisse être le résultat d’un écart dans le disque du système solaire primitif, mais un tel écart n’a pas été directement confirmé.
Le groupe de Weiss analyse les météorites à la recherche de signes d’anciens champs magnétiques. Lorsqu’un jeune système planétaire prend forme, il emporte avec lui un champ magnétique dont la force et la direction peuvent changer en fonction de divers processus au sein du disque en évolution. Au fur et à mesure que la poussière ancienne s’est rassemblée en grains appelés chondres, les électrons à l’intérieur des chondres se sont alignés avec le champ magnétique dans lequel ils se sont formés.
Les chondrules peuvent être plus petits que le diamètre d’un cheveu humain et se trouvent aujourd’hui dans les météorites. Le groupe de Weiss est spécialisé dans la mesure des chondres pour identifier les anciens champs magnétiques dans lesquels ils se sont formés à l’origine.
Dans des travaux antérieurs, le groupe a analysé des échantillons de l’un des deux groupes isotopiques de météorites, connus sous le nom de météorites non carbonées. On pense que ces roches sont originaires d’un «réservoir» ou d’une région du système solaire primitif, relativement proche du soleil. Le groupe de Weiss avait précédemment identifié l’ancien champ magnétique dans des échantillons de cette région proche.
Un décalage de météorite
Dans leur nouvelle étude, les chercheurs se sont demandé si le champ magnétique serait le même dans le deuxième groupe isotopique et « carboné » de météorites, qui, à en juger par leur composition isotopique, seraient originaires plus loin dans le système solaire.
Ils ont analysé des chondres, mesurant chacun environ 100 microns, provenant de deux météorites carbonées découvertes en Antarctique. À l’aide du dispositif d’interférence quantique supraconducteur, ou SQUID, un microscope de haute précision du laboratoire de Weiss, l’équipe a déterminé le champ magnétique ancien et original de chaque chondre.
Étonnamment, ils ont découvert que leur intensité de champ était plus forte que celle des météorites non carbonées plus proches qu’ils avaient précédemment mesurées. Alors que les jeunes systèmes planétaires prennent forme, les scientifiques s’attendent à ce que la force du champ magnétique diminue avec la distance du soleil.
En revanche, Borlina et ses collègues ont découvert que les chondres éloignés avaient un champ magnétique plus fort, d’environ 100 microteslas, par rapport à un champ de 50 microteslas dans les chondres les plus proches. Pour référence, le champ magnétique terrestre est aujourd’hui d’environ 50 microteslas.
Le champ magnétique d’un système planétaire est une mesure de son taux d’accrétion, ou de la quantité de gaz et de poussière qu’il peut attirer en son centre au fil du temps. D’après le champ magnétique des chondres carbonés, la région externe du système solaire doit avoir accumulé beaucoup plus de masse que la région interne.
En utilisant des modèles pour simuler divers scénarios, l’équipe a conclu que l’explication la plus probable de l’inadéquation des taux d’accrétion est l’existence d’un écart entre les régions intérieure et extérieure, qui aurait pu réduire la quantité de gaz et de poussière s’écoulant vers le soleil depuis le régions extérieures.
« 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.”
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
Cette recherche a été soutenue, en partie, par Nasa, et la National Science Foundation.
