mise à jour le 6 Décembre 2006  (merci à DH pour les commentaires)

 

SÉMINAIRE TEMPS ET ESPACE
"LE GRAND BOMBARDEMENT TARDIF (LHB)
ET LA FORMATION DU SYSTÈME SOLAIRE"

Par ALESSANDRO MORBIDELLI
Directeur de Recherche OCA, Nice

À l'Observatoire de Paris, 77 Av Denfert Rochereau, Paris 14ème

 

le Lundi 20 Novembre 2006 à 14H00

 
Photos : JPM.pour l'ambiance Les photos en haute définition sont disponibles sur simple demande pour ceux qui le souhaitent
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos
L'auteur met à la disposition des internautes sa présentation en format pdf de 6,3MB que vous pouvez télécharger.
On consultera aussi avec intérêt le site du séminaire.
 
 
BREF COMPTE RENDU
 
 
Alessandro Morbidelli est un grand spécialiste de la formation du système solaire, il nous présente ce soir les dernières théories concernant sa formation.
 
Le début de la formation du système solaire est bien connu : le disque proto planétaire qui s'aplatit, les planétésimaux qui se forment : d'abord les planètes géantes (elles ont grandi plus vite que les autres) puis les telluriques.
 
On pense que la durée de formation des planètes a été extrêmement courte : quelques 30 millions d'années.
 
Mais la Lune nous dit que les choses ne sont peut être pas aussi simples.
 
 
 
 
Les missions Apollo ont rapporté des roches lunaires de diverses "Mers" lunaires qui sont en fait d'énormes bassins d'impact, et on a pu dater leur age. Elles sont de 65 millions d'années après la formation du système solaire.
 
 
Cela semble indiquer qu'il s'est passé un événement cataclysmique à cette époque là, qui a effacé toutes traces des anciennes roches (la Lune date comme la Terre de 4,5 Ga ou milliard d'années).
 
 
Qu'est ce qui a pu causer une telle débauche de bombardement météoritique au moins dans cette partie du système solaire interne?
 
 
C'est ce qu'on appelle l'épisode du grand bombardement tardif (LHB ou Late Heavy Bombardment an anglais).
 
Il y a eu un pic de bombardement de matière que l'on voit très bien sur cette courbe. Ce pic se situe vers les 3,9Ga
 
C'est un événement global qui a duré de 50 à 150 millions d'années. Le taux de bombardement cosmique (un impact d'un corps de 1km tous les 20 ans pour la Terre) devait être près de 20.000 fois plus important que le taux actuel.
 
Avant ce bombardement le système solaire était DIFFÉRENT.
 
 
 
 
 
 
COMMENT UN TEL CATACLYSME A T IL PU SE PRODUIRE?
 
Ceci n'est possible que si un changement dans la structure orbitale des planètes géantes s'est produit; un réservoir de petits corps (restes de la formation du Système solaire) est devenu alors instable.
 
D'après A Morbidelli, ce n'est pas si compliqué; on le prouve à l'aide de modélisations mathématiques.
 
L'hypothèse de départ était que les 4 planètes géantes étaient en fait plus près du Soleil que maintenant (pas plus loin que 20 UA) et entourées d'un ensemble de petits planétésimaux. Il y a donc interaction gravitationnelle.
La ceinture de Kuiper était vide.
L'excentricité des planètes était plutôt nulle (cercle) sauf pour Neptune qui va avoir une phase très excentrique.
 
C'est de cela qu'est née l'idée de ce bombardement tardif. Les planètes avaient avant celui-ci un autre ordre, leurs orbites étaient plus resserrées, par exemple Neptune était deux fois plus près du Soleil que maintenant.
 
Comment évolue un tel ensemble dans le temps?
 
Ce fut l'objet de la simulation numérique effectuée par A Morbidelli et ses collègues (Rodney Gomes (Brésil), Harold Levison (États-Unis), Kleomenis Tsiganis (Grèce)) à l'OCA.
Ils font tourner leur simulation jusqu'à obtenir la configuration des planètes actuelle.
Ces simulations montrent que la plupart des petits corps sont éjectés soit vers l'intérieur (bombardement tardif de la Lune (et de la Terre bien entendu) notamment) soit vers l'extérieur du système solaire, mais cela déplace l'orbite des grosses planètes (action = réaction).
 
 
Mais comment en est on arrivé à ce bombardement tardif?
Au début (3 millions d'années) les planétésimaux ont un temps de vie très court; à la disparition du gaz des planètes géantes, les planétésimaux sont situés au delà de Neptune.
 
Mais il arriva un moment, après approximativement 800 millions d'années, où dans ce ballet cosmique, Jupiter et Saturne entrèrent en résonance 1:2, Jupiter faisait deux fois le tour du soleil quand Saturne n'en faisait qu'un.
 
Cette résonance perturba considérablement le système solaire et rendit les orbites de Jupiter et de Saturne excentriques, ce qui à son tour perturba Uranus et Neptune qui se trouvèrent chassées vers leurs orbites actuelles et repoussèrent à leur tour les astéroïdes présents soit vers la position actuelle qui forme la ceinture de Kuiper soit vers l'intérieur du système solaire.
 
Ce grand tohu-bohu aurait favorisé ce bombardement astéroidal du système solaire interne.
 
 
Voici un petit film vidéo de simulation (attention il fait 34MB) en avi élaboré par nos amis Morbidelli et Michel de l'OCA qui représente entre 0 et 1 Milliard d'années ce qui s'est passé. Il faut sélectionner le film vers le bas de la page.
En vert: disque de planétésimaux entourant les planètes
En rouge: orbite de Jupiter
Le Soleil est au centre de l'image.
Les coordonnées indiquent les distances en Unités Astronomiques (1 UA = distance Terre-Soleil)
Les orbites des 4 planètes correspondent aux 4 cercles. La planète la plus lointaine au Soleil est donc à moins de 20 UA au début de la simulation et rejoindra sa position actuelle à plus de 30 UA vers T= 880 millions d'années, lors du chamboulement soudain provoqué par le passage de Jupiter et Saturne dans la résonance 1:2
 
Cela explique les grands bassins sombres de la surface lunaire.
 
À l'occasion de ce bombardement, la ceinture de Kuiper qui était à l'origine située vers 20 à 35  UA a perdu 99% soit la majorité de sa masse d'origine d'astéroïdes qui était de l'ordre de 35 masses terrestres; elle est située maintenant vers 32 à 45 UA avec seulement 0,1 masses terrestres.
C'est quand même beaucoup plus que la masse des astéroïdes de la ceinture principale évaluée elle à 0,5 10-3 MT.
 
 
Les planètes géantes ont migré : Jupiter vers le Soleil, Saturne un peu vers l'extérieur, Uranus et Neptune beaucoup vers l'extérieur.
Ces perturbations ont aussi favorisé une excentricité pour les orbites de Jupiter et Saturne et ont rendu Uranus et Neptune très instables.
 
La résonance a aussi favorisé la capture des planétésimaux par Jupiter et sont devenus les Troyens.
Ceci semble confirmer cette hypothèse du LHB en effet les Troyens ont une densité inférieure aux autres astéroïdes mais identique à ceux des objets de Kuiper (KBO), de plus ils ont une masse totale de 10-5 masses terrestres qui semble en accord avec le modèle.

 
 
 
ET LA CEINTURE DE KUIPER?
 
Elle est la résultante de ce passage à la résonance 2:1 Jupiter-Saturne, tout comme pour le LHB..
On s'aperçoit aussi qu'elle s'arrête brusquement à la résonance 2:1 de Neptune (48 UA).
 
Il y a aussi deux sous produits dans cette ceinture, deux types d'astéroïdes : les "chauds" et le "froids", baptisés ainsi par analogie avec la théorie cinétique des gaz.
Une population, les froids étant de faible inclinaison ce sont des petits objets rouges; l'autre, les chauds ayant une grande excentricité étant plus grands et moins rouges. Ces deux populations ont des propriétés physiques différentes.
 
 
 
 
LE DÉFICIT DE MASSE LE CEINTURE DE KUIPER.
 
La masse totale de la ceinture de Kuiper est évalué entre 1/10 et 1/100 de la masse terrestre.
 
Or d'après les modèles en cours de formation du système solaire, elle devrait avoisiner quelques dizaines de masses terrestres.
En effet une telle masse est nécessaire pour que l'accrétion d'objets de la taille de quelques centaines de km ait lieu.
D'autre part on pense que la répartition en masse autour du Soleil , devrait décroître régulièrement et non pas qu'il se produise brusquement une absence de matière.
 
Où est la masse manquante?
 
Une étoile est elle passée trop près , ou alors…?
 
 
 
 
LES 4 PHASES DU SYSTÈME SOLAIRE :
 
 
   
     * L'accrétion planétaire : planètes géantes, puis planètes telluriques puis première déplétion de la ceinture des astéroïdes.  
    * Ère de tranquillité qui dure près de 600 Millions d'années; la ceinture d'astéroïdes est 20 fois plus importante que l'actuelle. Un disque trans-neptunien massif (50 à 35 MT) se forme.  
    * Le bombardement tardif se produit : déplacement des orbites des planètes géantes, mise en place de la ceinture de Kuiper, les Troyens de Jupiter sont capturés. Dure 100 millions d'années approx. La cause est la migration planétaire dans le système solaire primitif suite aux interactions gravitationnelles entre planètes et disque de planétésimaux, migration qui a entraîné le passage dans la résonance 2:1, le déclencheur de tout ce tohu-bohu.
    * La période actuelle  
 
 
 
 
Une remarque : la vie sur Terre apparaît après le LHB, pourquoi?
 
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN:
 
 
La formation du système solaire à la Cité des Sciences : concis et clair, à voir absolument.
 
La ceinture de Kuiper chez Wikipedia, très complet. (anglais)
 
L'article de Nature par A Morbidelli sur le LHB, en anglais.
 
La formation de la Ceinture de Kuiper par A Morbidelli en pdf. (anglais).
 
Un cataclysme dans le système solaire sur ce site.
 
Nos amis de Futura Sciences ont écrit cet article en français sur le même sujet.
 
Une présentation Power Point (PPT) de 2,6MB un peu technique sur les populations hot et cold de la ceinture de Kuiper (titre original : The primordial sculpting of the Kuiper belt) par
A Morbidelli.
 
Une présentation PPT de 8MB sur les objets trans-neptuniens et la ceinture de Kuiper en français par Emmanuel Lellouch, très bon.
 
Je signale aussi un article très intéressant par nos amis Américains du Planetary Institute PSRD sur la migration des planètes géantes et du LHB, article en anglais bien sur mais très bien illustré. On y retrouve l'animation de A Morbidelli.
 
 
 
 
 
 
C'est tout pour aujourd'hui!
 
 
Bon ciel à tous
 
Jean-Pierre Martin  http://www.planetastronomy.com/