Mise à jour le 2 Avril 2014
                                                                                                                                                    
   
CONFÉRENCE VEGA de Bernard LELARD
Président de VEGA
Organisée par l'Association d'Astronomie VEGA et la Mairie de Plaisir
Au théâtre R Manuel (Château de Plaisir)
«CHAOS ET HARMONIE DES PLANÈTES,
LA MIGRATION DES PLANÈTES»
Le Samedi 22 Mars 2014 à 20H30

 
Photos : JPM ou autre pour l'ambiance. (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos si nécessaire
La présentation (avec toutes les vidéos) est disponible sur ma liaison ftp  choisir planetastronomy, rentrer les login et PW  puis CONFÉRENCES VEGA  ensuite SAISON 2013/2014  ; elle s’appelle : BL Migration Planètes.zip
La présentation et les vidéos sont dans deux dossiers séparés, à cause de la taille de ceux-ci. Les animations devront probablement être vues séparément.
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.
 
Cette conférence a été filmée en vidéo (grâce à UNICNAM et IDF TV) et est accessible sur Internet
On la trouve à cette adresse :  http://www.youtube.com/playlist?list=PLM_NLeMfZ9TqVEcngNoAFXLsvGWtjzEtx
 
REMARQUE : le compte rendu de cette conférence est commun avec celui de la commission de planétologie de la SAF (du 29 Mars), sur le même sujet, traité un peu plus complètement durant cette dernière conférence.
 
BREF COMPTE RENDU
 
Le compte rendu sera succinct, étant donné, que la présentation est disponible au téléchargement.
 
Une salle bien pleine encore une fois.
 
 
 
 
 
Bernard commence par un rappel sur les planètes et en particulier, les nôtres.
 
Planète vient du grec (planêtès : vagabond, astre errant. Une planète réfléchit la lumière de son étoile.
 
Le système solaire possède un groupe de planètes rocheuses (telluriques) proches de notre étoile, et un groupe de planètes géantes gazeuses situées beaucoup plus loin, entre les deux une ceinture d’astéroïdes et au delà de Neptune, un autre disque appelé ceinture de Kuiper.
Toutes ces planètes et disques sont situées approximativement dans un même plan (l’écliptique).
Beaucoup plus loin une bulle contiendrait  un immense réservoir de petits corps, les comètes, qu'on appelle le nuage de Oort .
 
Une représentation de notre système solaire.
 
 
 
 
Les exoplanètes :
 
C’est en 1995 que les astronomes Suisses Michel Mayor et Didier Queloz, ont découvert à l’Observatoire de Haute Provence, la première exoplanète dans le système de Pégase 51.
C’était très surprenant, cette planète extra solaire était énorme et orbitait son étoile très près de celle-ci, à 0,05UA, bien plus près que n’est Mercure de notre Soleil. Impensable pour l’époque. Tellement impensable que la célèbre revue Nature refuse tout d’abord de publier leur article concernant cette découverte. En effet comment imaginer un tel système solaire avec des planètes géantes si proches de leur étoile.
Mais c’est Shu-Lin LI du département d’astronomie de l’Université de Pékin, et inventeur d’un système de migration de planètes en 1986 qui sauva cet article et rendit célèbre Mayor et son collègue ainsi que la théorie d’une possible migration de planètes.
 
Des sondes spatiales, comme Kepler notamment découvrent tous les jours de nouvelles exoplanètes.
 
 
En fait on commence à penser que nos planètes ne seraient pas à leur place :
·        Jupiter serait trop loin par rapport aux exoplanètes découvertes
·        Mars serait trop petite (ou trop loin) par rapport à la place qu’elle occupe.
·        Saturne trop loin ou trop petit par rapport à sa place
·        Uranus et Neptune trop loin
Pourquoi ?
 
Quelques candidats exoplanètes pour être des Terres des super terres ou autres…
 
 
 
 
Pour le moment nous n'avons pas encore trouvé de planètes similaires à la Terre au point de vue taille et orbite.
Notre système solaire serait-il unique ?
 
 
Chronologie de la formation du système solaire :
 
Phases de la formation des planètes
 
Le temps zéro,  base du début du système solaire se situe il y a 4,567 Milliards d’années (Ga = Giga années)
 
3 phases sur des durées de temps différentes:
 
·        entre 1 et 10 Ma: formation d’embryons planétaires
·        jusqu’à 10 Ma: formation des planètes géantes
·        jusqu’à 60 Ma: formation de la Terre-Lune
·        jusqu’à 100 Ma: formation des planètes rocheuses
Les processus en jeu varient avec la taille des agrégats:
La gravitation devient dominante sur les objets ayant au moins un km
On pense qu’il y avait 22 planètes autour du jeune Soleil
 
 
 
 
La formation des planètes.
 
Elles naissent d’un nuage de gaz et de poussières.
 
Je reprends ici une partie du texte de Bernard Lelard :
 
**La condensation de gaz et de poussières engendre des centaines d’étoiles en quelques millions d’années.
Il y a formation d’ amas d’étoiles, qui sont nées ensemble, avec des masses différentes et donc des durées de vie différentes.
 
**Facteurs déclenchant:
• des ondes de choc dues aux vents stellaires engendrés par le rayonnement des étoiles massives voisines
• l’explosion d’une supernova voisine
• le passage dans un bras spiral de la galaxie,
• la collision de deux nuages.
 
**Un tel nuage peut mesurer 480 milliards de milliards de km de diamètre.
la lumière met 50 ans à le traverser.
sa densité est très faible ( moins d'1 millier d'atomes par cm3 )
 
On pense aujourd’hui que le Soleil est né dans un amas d’étoiles, les modèles parlent de 1.000 à 10.000 étoiles dans un nuage de 6 à 20al de diamètre. Ce sont les étoiles de 3e génération.
Les corps de la ceinture de Kuiper au-delà de Neptune pourraient avoir été chassés aux confins du système solaire par une étoile, sœur du Soleil, qui l’aurait frôlé (à environ 400 UA).
Une fois déclenché, cet effondrement se poursuit, plus rapidement dans les parties internes plus denses sous l’effet de la gravité.
la rotation se fait à des vitesses différentes entre le centre et l’enveloppe la partie centrale s’aplatit.
 
Des milliers d'années plus tard, des globules se forment dans le nuage effondré (concentrations de matière)
la température augmente légèrement (-205° C)
le rayonnement est une lumière invisible
les dimensions, de ce "proto-soleil" est de l'ordre de plus de 100 systèmes solaires
la densité est très faible
sa gravité attire toujours des milliards de milliards de tonnes de poussières et de gaz
la température continue alors de s'élever et devient assez importante pour émettre dans l'Infra-Rouge
En moins de 100 000 ans, le globule se réduisit à 1 millionième de son volume d'origine. Les dimensions de ce globule devenu une protoétoile est de l'ordre de 2 systèmes solaires ( 24 milliards de km de diamètre)
L'effondrement continu mais se ralentit
Le phénomène d’accrétion est relativement rapide, environ 100 000 ans pour une étoile comme le Soleil.
Près de l’étoile la température est très élevée à l’extérieur c’est le domaine du froid (glace et molécules)
L’étoile en formation éjecte de la matière par ses pôles sous la forme de jets bi polaires
L’étoile se contracte lentement sous l’influence de la gravitation, ce qui lui fournit son énergie lumineuse.
Cette phase dure environ 100 Ma au terme desquelles se déclenche en son centre les réactions nucléaires qui arrêtent sa contraction.
La température du Soleil a atteint alors 15 millions de degrés.
 
Sous l'effet de sa propre gravité, ce nuage s'est contracté, effondré, créant au centre un noyau très dense, dans lequel la pression et la température sont considérablement élevées, de sorte que les réactions de fusion nucléaire peuvent démarrer : l’étoile s'allume.
Tout le nuage ne se contracte pas en un point, mais (par conservation du moment cinétique) une partie forme un disque autour de la jeune étoile.
 
La température diminue lorsque que l’on s’éloigne de l’étoile, passant de 1500 K pour quelques rayons stellaires, à 100 K ou moins au-delà de quelques UA. La ligne de glace est la limite à partir de laquelle les grains sont froids et recouverts d’un manteau de glace.
Pour le système solaire, cette limite se trouve à environ 4 UA du Soleil
 
 
De nombreux corps commencent à s’assembler à cause de la gravitation
Des collisions libèrent beaucoup d’énergie (potentielle + gravitationnelle) sous forme de chaleur.
La décroissance de certains éléments radioactifs donne aussi de la chaleur
 
Les jeunes planètes sont donc liquides
Les éléments plus lourds coulent, les plus légers remontent. (cela s’appelle la différentiation), se forment alors un cœur fer-nickel, un manteau de silicates et une croûte
La différence entre planètes telluriques et gazeuses dépend de la masse des éléments accrétés par gravitation et de la proportion poussières-gaz
 
Les géantes une fois formées, les planètes rocheuses se forment peu à peu.
 
Les noyaux des planètes gazeuses sont très importants et solides (dû à la pression), ils comporteraient au delà du noyau très compact de Fer et de silicates, une couche de glace d’eau sous haute pression. Ces planètes géantes se forment par élaboration d’un cœur massif solide qui va accréter le gaz restant à ce niveau dans le système solaire.
 
Il semble impossible que ces planètes géantes à noyau solide et glacé soient nées si près de leur étoile brûlante.
 
Alors, on pense de plus en plus qu’elles auraient migré d’une position beaucoup plus lointaine.
 
 
 
LA MIGRATION DES PLANÈTES.
 
Là, c’est l’auteur de ce compte rendu qui reprend la parole, je vais essayer d’expliquer ce mouvement de migration, tel que je l’ai compris et tel qu’il est expliqué dans divers articles sur ce que l’on appelle les modèles de Nice.
Pourquoi d’ailleurs Nice ? C’est en effet à l’Observatoire de la Côte d’Azur (OCA au dessus de Nice) que ces théories ont été élaborées notamment par Alessandro Morbidelli et son équipe du Laboratoire Lagrange.
Je reprendrai par moment des éléments déjà diffusés dans les astronews.
 
Si un jour vous appreniez qu'avant la naissance de   la Terre  Jupiter était près du Soleil jusqu'à la distance actuelle de Mars (1,5 fois la distance Terre-Soleil) puis était reparti rejoindre sa position actuelle (5 fois la distance Terre-Soleil), et si l'on vous expliquait que grâce à cela Mars a une masse plus faible que la Terre, que la Ceinture des astéroïdes entre Mars et Jupiter contenait des objets de compositions très diverses et que l'eau fut apportée sur Terre par des petits corps à la fin de sa formation (et peut-être aussi les molécule organiques contribuant peut-être à l'émergence de la Vie), vous croiriez à un scénario de science fiction.
Et pourtant, grâce à des simulations numériques et une intuition osée, c'est ce qu'ont montré des membres de l'équipe de Planétologie de l’OCA en publiant divers articles.
 
C’est la fin de l’époque où l'on pensait encore notre Système Solaire statique avec des planètes se formant là où nous les observons.
 
La plupart des planètes de type Jupiter observées dans d'autres systèmes solaires sont bien plus proches de leur Soleil que notre Jupiter. Finalement, celui-ci a eu pendant un temps cette même propriété, mais il a finalement rejoint une position plus lointaine, nous allons voir pourquoi.
 
Jupiter et Saturne se sont formées en quelques millions d’années à partir d’un disque proto planétaire formé de gaz principalement.
 
 
 
Les géantes gazeuses notamment Jupiter en absorbant le gaz (sa masse augmente et r diminue), perd de son moment cinétique et spirale vers l’intérieur.
 
(un rappel : le moment cinétique ou angulaire d’un ensemble doit être conservé dans le temps. Le moment cinétique étant défini comme le produit de la masse par le rayon vecteur et par la vitesse, c’est en fait un peu plus compliqué car c’est un vecteur, mais en gros on peut dire que L = m v r ; exemple typique de la patineuse qui referme ses bras, elle tourne plus vite car r diminue, le moment cinétique est conservé à son échelle)
Dans notre système solaire, le Soleil porte 99,8% de la masse totale du système, mais seulement une très faible fraction (2%) du moment cinétique global (r est très petit) !
 
Ces planètes auraient été sensibles aux migrations dues à des mouvements de gaz sur une échelle de plusieurs centaines de milliers d’années (voir article de Ph Armitage).
 
Des simulations hydrodynamiques montrent que ces planètes géantes peuvent subir une migration en deux étapes ; vers l’intérieur puis vers l’extérieur.
Les planètes telluriques finirent de s’accréter bien plus tard et leurs caractéristiques sont bien en accord avec un disque de planétésimaux dont la limite serait située vers un ou deux UA.
 
De nouvelles simulations du début du système solaire ont été faites, qui montrent comment la migration de Jupiter vers l’intérieur à la position 1,5 UA et sa migration vers l’extérieur qui en fut la conséquence, ont entraîné la troncature du disque de planétésimaux à 1UA.
Les planètes terrestres se sont ensuite formées à partir de ce disque pendant 30 à 50 millions d’années.
 
Jupiter vida d’abord la ceinture principale , puis Saturne se déplaçant vers le Soleil, aurait forcé Jupiter à revenir à sa position actuelle, ce faisant repeuplant la ceinture principale avec des corps provenant de 1 à 3 UA et au delà des planètes géantes.
Cela devrait expliquer les différences de composition de la ceinture principale.
Cela expliquerait aussi la petite taille de Mars (1/10 masse de la Terre) due à la faible quantité de matière vers 1 UA.
 
La grande différence des simulations et idées actuelles tient au fait de l’aller et retour de Jupiter (et de Saturne) vers l’intérieur du système solaire.
 
On savait aussi que Uranus et Neptune n’avaient pas pu se former là où elles sont maintenant, car à l’époque de leur formation, il n’y avait pas assez de matières pour donner des planètes aussi grosses, là où elles se trouvent maintenant.
 
 
Voilà un schéma qui résume cette incroyable migration de planètes.
En 1 Jupiter jeune se rapproche du Soleil, puis est repoussé vers sa position actuelle, lors de la résonance (R ) avec Saturne (vers les 800 millions d’années) ; en 2 Saturne jeune, il se forme après Jupiter et grossit aussi et entraîne Jupiter avant de se retrouver à sa position actuelle.
Se faisant le nouveau couple en se retirant va créer un tohu bohu monstre au niveau des astéroïdes qui se baladaient vers les 1,5 UA, vont se regrouper en ceinture et c'est Mars qui va en faire les frais en n'ayant pas le temps de grossir comme la Terre.
En 5 et 6 Uranus et Neptune sont repoussés vers l’extérieur du système solaire.
 
 
 
Voici un graphique publié avec l’article de nos amis de Nice. (© Nature et A Morbidelli et al).
 
Graphe : échelle verticale : excentricité des orbites ; échelle horizontale : demi grand axe.
 
Évolution de la population des petits corps pendant la migration des planètes géantes. On voit le « ballet » cosmique des 4 planètes géantes ainsi que l’augmentation de taille de Saturne, Uranus et Neptune.
 
Les planétésimaux de type S (Silicaté) sont représentés par des points rouges, ils étaient initialement situés entre 0,3 et 3 UA. Les embryons de planètes sont figurés par des cercles noirs (pas à l’échelle).
Les planétésimaux de type C (Carboné) démarrent entre les planètes géantes sont représentées par des points bleus clairs et les planétésimaux du disque extérieur sont figurés par des points bleus foncés ; initialement situés entre 8 et 13 UA.
La limite approximative de la ceinture principale est dessinée en pointillé.
 
 
 
La dernière ligne du graphique est une combinaison de la fin de la migration des planètes géantes avec le résultat de la simulation du matériau du disque interne qui a évolué sur 150 Millions d’années.
 
Nos amis de Nice nous donnent à voir une superbe simulation de cet événement :
 vidéo
x
 
 
 
https://www.youtube.com/watch?v=6LzQfR-T5_A
 
Dans le premier modèle Neptune est à l’intérieur d’Uranus ,alors que dans le II (plus actuel), ce n’est plus le cas.
Lorsque l’on s’approche de la résonance, le film est ralenti pour observer plus facilement ce qui se passe.
Credit: Hal Levison, Southwest Research Institute, Boulder, Colorado pour Sky and Telescope par Shweta Krishnan
 
 
 
 
 
Le LHB  (le grand bombardement tardif).
 
 
On cherchait des traces de ce début de la formation de notre système solaire. c’était à l’époque des missions Apollo, et surtout de la dernière où un vrai géologue (Harrison Schmitt) faisait partie de l’équipe.
 
Il ramène de nombreuses roches. La Mer de la Sérénité date de 3,9 Ga alors que les échantillons des monts sont plus anciens.
 
Il s’est donc passé quelque chose il y a 3,9 Ga.
 
 
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 qui représente l’âge des différentes roches lunaires. 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.
 
C’est pour les Niçois la preuve de cette migration de planètes et du grand chambardement qui a suivi au moment de la résonance Jupiter/Saturne
 
 
 
 
À retenir : vers les 3,9 Milliards d’années tout le système solaire a subi un grand bombardement météoritique dont on trouve les traces sur la Lune et sur les météorites de certains astéroïdes (notamment Vesta).
 
 
Ce phénomène apparaît comme la consécration de la justesse du modèle de Nice sur la formation du système solaire.
 
Il y a quand même un problème : comment cette migration s’est arrêtée et a-t-elle changé de sens ?
 
C’est la phase du Grand Tack (la grande virée de bord) mis au point par nos amis Niçois.
 
Je reprends ce que j’avais écrit il y a quelque temps :
 
Jupiter se serait formé en quelques millions d’années, dans une région de l’espace aux alentours de 3,5 UA (UA = distance terre soleil, approx 150 millions de km) ; une grande quantité de gaz (le disque proto planétaire) circulant toujours autour du Soleil interagit avec cette planète et l’attire vers notre étoile. (conservation du moment cinétique)
Le disque protoplanétaire est maintenant composé de plusieurs anneaux de matière, situés entre les planètes géantes.
L’anneau proche du Soleil servira à former les planètes telluriques, mais Mars situé près du bord externe aura peu de matière à sa disposition, on en reparlera plus loin..
 
Jupiter augmentant de masse (accrétion de matière) par action de la gravité, spirale donc vers une position proche de 1,5UA, approximativement où se trouve Mars maintenant (mais pas à l’époque).
 
Mais pour les mêmes raisons, Saturne, située plus loin que Jupiter, subit les mêmes effets et s’approche du Soleil et donc aussi de Jupiter.
 
Il y a même une période où Jupiter et Saturne se trouvent en résonance 3:2 (Jupiter fait 3 tours quand Saturne en fait 2) ; cela modifie profondément leurs orbites et le gaz interplanétaire étant aussi épuisé, les migrations des planètes géantes s’arrêtent et même commencent à s’inverser. C’est le Grand Tack !
 
Jupiter arrive à sa position actuelle (5,2 UA) et Saturne à 7UA (plus tard d’autres forces la pousseront jusqu’à 9,5UA).
 
Ces migrations prirent approximativement quelques millions d’années et eurent des conséquences énormes dans la composition de la ceinture d’astéroïdes.
La période pendant laquelle Jupiter est restée plus proche du Soleil, a aussi eu des conséquences sur Mars.
On ne comprenait pas jusqu’à présent pourquoi Mars était si petite, alors que se formant au delà de Vénus et de la Terre, elle aurait dû avoir plus de matières premières à sa disposition.
 
C‘est là, la grande force du modèle actuel Grand Tack, il explique cela : lorsque Jupiter est resté proche du Soleil, il aurait dispersé de la matière interplanétaire servant à former les planètes ; Mars en ayant ainsi moins à sa disposition, est devenue petite comme on la voit actuellement. Par contre la Terre et Vénus avaient plus de matière à leur disposition, car cette partie du disque n’avait pas été perturbé par Jupiter.
 
 
 
Ce Big Tack a eu aussi des conséquences pour les astéroïdes :
·        La ceinture d’astéroïdes est composée d’un mélange d’astéroïdes rocheux et de glace.
·        C’est parce qu’il y a eu des corps « mouillés » dans l’anneau où notre planète s’est formée qu’il y a eu de l’eau sur Terre en plus de celle des comètes!
·        Si Saturne n’avait pas rattrapé à temps Jupiter, notre planète serait sèche! Ce bouleversement est probablement la raison de la petite taille de Mars.
Un dernier « plus » de ce modèle, il correspond aussi à ce que l’on observe au niveau des planètes extra solaires, avec les Jupiter chauds si près de leurs étoiles.
 
 
 
 
 
 
 
Nos amis de Ciel et Espace proposent des vidéos explicatives sur le sujet.
 
 
 
 
 
Voilà comment on imagine en ce début de XXIème siècle la formation de notre système solaire.
 
Trouvera-t-on un système extra solaire similaire, c’est la question !
 
 
 
 
 
 
 
 
PROCHAINE CONFÉRENCE VEGA : samedi 24 Mai 2014 20h30 au TRM  (Château de Plaisir 78370)
 
Jean Pierre LEBRETON, Dr de recherche CNRS , un des pères de la mission Cassini-Huygens fête avec nous
les 10 ans de mission autour de Saturne et de Titan
Ce sera un grand moment, venez nombreux, ouverture des portes : 20H00
 
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN :
 
De l’eau à haute pression notamment dans le noyau des planètes géantes par P Thomas et collègues.
 
La migration des planètes extrasolaires, article de La Recherche.
 
Chaos in the Early Solar System par Sky and Telescope.
 
La migration emballée des proto-planètes par l’IRFU-CEA.
 
Le grand bombardement tardif (LHB) par A Morbidelli, CR sur planetastronomy.com
 
Le grand Tack sur ce site.
 
Chamboulement dans le système solaire sur ce site aussi.
 
Groupe Cassiopée à l’OCA
 
Unité Lagrange à l’OCA.  
 
Formation et évolution planétaire, les 700 premiers millions d’années par Aurélien CRIDA.
 
Thèse de Aurélien Crida sur la migration des planètes.
 
Sur les rotations et moments cinétiques par JC Boulay.
 
Origin of the cataclysmic Late Heavy Bombardment period of the terrestrial planets par Morbidelli et al.
 
 
 
 
Bon ciel à tous
 
 
Jean Pierre Martin 
www.planetastronomy.com
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