Bien que les planètes entourent les étoiles dans la galaxie, la façon dont elles se forment reste un sujet de débat. Malgré la richesse des mondes dans notre propre système solaire, les scientifiques ne sont toujours pas certains de la façon dont les planètes sont construites. Actuellement, deux théories se disputent le rôle de champion.

La première théorie, la plus largement acceptée, l’accrétion du noyau, fonctionne bien avec la formation des planètes terrestres comme la Terre mais a des problèmes avec les planètes géantes. La seconde, la méthode de l’instabilité du disque, peut rendre compte de la création de ces planètes géantes.

Les scientifiques continuent d’étudier les planètes dans et hors du système solaire dans le but de mieux comprendre laquelle de ces méthodes est la plus précise.

Relié : Quelle est la taille de la Terre ?
Relié : Quelle est la vitesse de la Terre autour du Soleil ?

Le modèle d’accrétion du noyau

Il y a environ 4,6 milliards d’années, le système solaire était un nuage de poussière et de gaz connu sous le nom de nébuleuse solaire. La gravité a effondré la matière sur elle-même alors qu’elle commençait à tourner, formant le soleil au centre de la nébuleuse.

Avec l’ascension du soleil, la matière restante a commencé à s’agglomérer. Les petites particules se sont rassemblées, liées par la force de gravité, en de plus grandes particules. Le vent solaire a balayé les éléments plus légers, comme l’hydrogène et l’hélium, des régions les plus proches, ne laissant que des matériaux lourds et rocheux pour créer des mondes terrestres plus petits comme la Terre. Mais plus loin, les vents solaires ont eu moins d’impact sur les éléments plus légers, ce qui leur a permis de fusionner pour former des géantes gazeuses. C’est ainsi que sont nés les astéroïdes, les comètes, les planètes et les lunes.

Le noyau rocheux de la Terre s’est formé en premier, les éléments lourds s’entrechoquant et se liant entre eux. Les matériaux denses ont coulé vers le centre, tandis que les matériaux plus légers ont créé la croûte. Le champ magnétique de la planète s’est probablement formé à cette époque. La gravité a capturé une partie des gaz qui constituaient l’atmosphère primitive de la planète.

Au début de son évolution, la Terre a subi un impact par un grand corps qui a catapulté des morceaux du manteau de la jeune planète dans l’espace. La gravité a fait que beaucoup de ces morceaux se sont rassemblés et ont formé la lune, qui s’est mise en orbite autour de son créateur.

L’écoulement du manteau sous la croûte provoque la tectonique des plaques, le mouvement des grandes plaques de roche à la surface de la Terre. Les collisions et les frottements ont donné naissance aux montagnes et aux volcans, qui ont commencé à cracher des gaz dans l’atmosphère.

Bien que la population de comètes et d’astéroïdes traversant le système solaire interne soit clairsemée aujourd’hui, ils étaient plus abondants lorsque les planètes et le soleil étaient jeunes. Les collisions de ces corps glacés ont probablement déposé une grande partie de l’eau de la Terre à sa surface. Comme la planète se trouve dans la zone Boucles d’or, la région où l’eau liquide ne gèle ni ne s’évapore mais peut rester à l’état liquide, l’eau est restée à la surface, ce qui, selon de nombreux scientifiques, joue un rôle clé dans le développement de la vie.

Les observations d’exoplanètes semblent confirmer que l’accrétion du noyau est le processus de formation dominant. Les étoiles ayant plus de « métaux » – terme utilisé par les astronomes pour désigner les éléments autres que l’hydrogène et l’hélium – dans leur noyau ont plus de planètes géantes que leurs cousines pauvres en métaux. Selon la NASA, l’accrétion du noyau suggère que les petits mondes rocheux devraient être plus courants que les géantes gazeuses plus massives.

La découverte en 2005 d’une planète géante avec un noyau massif en orbite autour de l’étoile similaire au soleil HD 149026 est un exemple d’exoplanète qui a contribué à renforcer les arguments en faveur de l’accrétion du noyau.

« C’est une confirmation de la théorie de l’accrétion du noyau pour la formation des planètes et une preuve que les planètes de ce type devraient exister en abondance », a déclaré Greg Henry dans un communiqué de presse. Henry, astronome à l’Université d’État du Tennessee, à Nashville, a détecté l’atténuation de l’étoile.

En 2017, l’Agence spatiale européenne prévoit de lancer le satellite CHEOPS (CHaracterising ExOPlanet Satellite), qui étudiera les exoplanètes dont la taille varie des super-Terres à Neptune. L’étude de ces mondes lointains pourrait aider à déterminer comment les planètes du système solaire se sont formées.

« Dans le scénario d’accrétion du noyau, le noyau d’une planète doit atteindre une masse critique avant d’être capable d’accréter du gaz de manière fulgurante », a déclaré l’équipe de CHEOPS.

« Cette masse critique dépend de nombreuses variables physiques, dont la plus importante est le taux d’accrétion des planétésimaux. »

En étudiant comment les planètes en croissance accrètent de la matière, CHEOPS fournira un aperçu de la façon dont les mondes se développent.

Le modèle d’instabilité du disque

Bien que le modèle d’accrétion du noyau fonctionne bien pour les planètes terrestres, les géantes gazeuses auraient dû évoluer rapidement pour s’emparer de la masse importante de gaz plus légers qu’elles contiennent. Mais les simulations n’ont pas été en mesure de rendre compte de cette formation rapide. Selon les modèles, le processus prend plusieurs millions d’années, plus longtemps que les gaz légers n’étaient disponibles dans le système solaire primitif. Dans le même temps, le modèle d’accrétion du noyau est confronté à un problème de migration, car les bébés planètes sont susceptibles d’entrer en spirale dans le soleil en un court laps de temps.

Selon une théorie relativement nouvelle, l’instabilité du disque, des amas de poussière et de gaz sont liés entre eux au début de la vie du système solaire. Au fil du temps, ces amas se compactent lentement en une planète géante. Ces planètes peuvent se former plus rapidement que leurs rivales d’accrétion du noyau, parfois en seulement un millier d’années, ce qui leur permet de piéger les gaz plus légers qui disparaissent rapidement. Elles atteignent aussi rapidement une masse stabilisatrice d’orbite qui les empêche de marcher à la mort vers le soleil.

Selon l’astronome exoplanétaire Paul Wilson, si l’instabilité du disque domine la formation des planètes, elle devrait produire un grand nombre de mondes à des ordres importants. Les quatre planètes géantes orbitant à des distances significatives autour de l’étoile HD 9799 fournissent des preuves observationnelles de l’instabilité du disque. Fomalhaut b, une exoplanète avec une orbite de 2 000 ans autour de son étoile, pourrait également être un exemple de monde formé par l’instabilité du disque, bien que la planète ait également pu être éjectée en raison d’interactions avec ses voisins.

Accrétion de cailloux

Le plus grand défi à l’accrétion de noyau est le temps – construire des géantes gazeuses massives assez rapidement pour saisir les composants plus légers de leur atmosphère. Des recherches récentes sur la façon dont des objets plus petits, de la taille d’un caillou, ont fusionné pour construire des planètes géantes jusqu’à 1000 fois plus vite que les études précédentes.

« C’est le premier modèle que nous connaissons selon lequel vous partez d’une structure assez simple pour la nébuleuse solaire à partir de laquelle les planètes se forment, et vous vous retrouvez avec le système de planètes géantes que nous voyons », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Harold Levison, astronome au Southwest Research Institute (SwRI) dans le Colorado, à Space.com en 2015.

En 2012, les chercheurs Michiel Lambrechts et Anders Johansen de l’Université de Lund en Suède ont proposé que de minuscules cailloux, une fois rayés de la carte, détenaient la clé pour construire rapidement des planètes géantes.

« Ils ont montré que les cailloux restants de ce processus de formation, qui étaient auparavant considérés comme sans importance, pourraient en fait être une énorme solution au problème de la formation des planètes », a déclaré Levison.

Levison et son équipe se sont appuyés sur cette recherche pour modéliser plus précisément la façon dont les minuscules cailloux pourraient former les planètes vues dans la galaxie aujourd’hui. Alors que dans les simulations précédentes, les objets de grande et moyenne taille consommaient leurs cousins de la taille d’un caillou à un rythme relativement constant, les simulations de Levison suggèrent que les plus gros objets agissaient plutôt comme des brutes, arrachant des cailloux aux masses de taille moyenne pour croître à un rythme beaucoup plus rapide.

« Les plus gros objets ont maintenant tendance à disperser les plus petits plus que les plus petits ne les dispersent en retour, de sorte que les plus petits finissent par être dispersés hors du disque de cailloux », a déclaré à Space.com Katherine Kretke, co-auteur de l’étude et également du SwRI. « Le plus gros intimide essentiellement le plus petit pour qu’il puisse manger tous les cailloux lui-même, et qu’il puisse continuer à grandir pour former les noyaux des planètes géantes. »

Pendant que les scientifiques continuent à étudier les planètes à l’intérieur du système solaire, ainsi qu’autour d’autres étoiles, ils comprendront mieux comment la Terre et ses frères et sœurs se sont formés.

Suivez Nola Taylor Redd sur Twitter @NolaTRedd, Facebook ou Google+. Suivez-nous sur @Spacedotcom, Facebook ou Google+.