LeLe SystèmeSystème solairesolaire Le système solaire (Naissance, vie et mort des étoiles, Soleil, planètes, astéroïdes, planètes naines, ceinture de Kuiper, comètes, nuage d’Oort) Au delà du système solaire (Voie Lactée, exoplanètes, galaxies, groupes de galaxies, trous noirs, Big Bang, Univers) GAP 47 • Olivier Sabbagh • Janvier 2015 • Révision Octobre 2020 Le Système solaire, la Galaxie, l’Univers I Introduction AVERTISSEMENT AUX LECTEURS : Ce document étudie tous les aspects du système solaire et, bien au-delà, replace cet ensemble dans notre Galaxie, celle-ci dans les groupes de galaxies, puis le tout dans l’univers. Nous évoquerons aussi quelques notions sur les trous noirs et le « Big Bang ». Par contre les informations concernant les planètes seront évoquées assez sommairement dans la mesure où sont déjà rédigés des textes spécifiques sur chacune des planètes : Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune, les planètes naines, ainsi que les Instruments de l’Astronomie et la Conquête spatiale. A) Naissance d’une étoile – Présence d’une nébuleuse La naissance des étoiles ou formation stellaire, voire stellogénèse ou stellogonie, est un domaine de recherche en astrophysique qui consiste en l'étude des modes de formation des étoiles et des systèmes planétaires. Les étoiles en formation sont fréquemment appelées "étoiles jeunes". En cosmologie, la formation des étoiles n’a lieu que durant la période de l’univers nommée « ère stellifère ». Selon le scénario actuellement admis, confirmé par l'observation, les étoiles se forment en groupe à partir de la contraction gravitationnelle d'une nébuleuse, un nuage de gaz et de poussière, qui se fragmente en plusieurs cœurs protostellaires. Ceux-ci se contractent en leur centre en formant une étoile, tandis que la matière en périphérie se retrouve sous forme d'une enveloppe et d'un disque d'accrétion. Ce dernier disparaît généralement avec le temps mais peuvent s'y former entre-temps des planètes. La formation stellaire est un domaine qui suscite l'intérêt, non seulement en raison des phénomènes complexes et mystérieux qui s'y déroulent comme l'accrétion et l'éjection de matière ou l'émission de rayons X, mais aussi parce qu'elle est liée à la « question des origines » : la compréhension de la genèse des étoiles et de leurs systèmes planétaires nous renseignent sur l'histoire du système solaire, et sur la chimie primitive qui eut lieu lors de la formation de la Terre et de l'apparition de la vie. Deux méthodes d'étude sont utilisées pour comprendre la formation du système solaire : • La première consiste à « remonter le temps » en utilisant des modèles d'évolution physico-chimique pour en déduire, à partir de ce que nous observons aujourd'hui dans le système solaire, les conditions de sa formation. Ce fut longtemps la seule disponible avant que les régions de formation stellaire ne fussent identifiées après la Seconde Guerre mondiale; • La seconde consiste à observer des systèmes stellaires et planétaires à différents stades de leur évolution afin de déduire quels types de systèmes en formation aboutissent à des systèmes planétaires comparables au nôtre. Malgré le nombre important d'étoiles jeunes observables aujourd'hui et les progrès en simulation numérique, les étoiles jeunes recèlent encore de nombreux secrets : • la formation de planètes est-elle systématique, fréquente ou accidentelle ? • quelle quantité de matière était présente dans le disque d'accrétion au moment de leur formation ? Les processus en jeu sont nombreux et complexes, et certains phénomènes clefs ne sont pas encore maîtrisés par les physiciens : • la viscosité turbulente; • la magnétohydrodynamique. D'autres processus, bien que mieux compris, ne sont pas encore accessibles dans toute leur complexité aux ordinateurs actuels comme le transfert de rayonnement, qui est nécessaire pour déduire la structure des astres étudiés à partir des propriétés de la lumière observée. Enfin, les régions stellaires de formation les plus proches se situent à une distance typique de environ 100 pc (∼326 a.l.), ce qui rend extrêmement difficile l'observation directe des étoiles jeunes et de leur environnement proche : au vu de leur éloignement, la distance Terre-Soleil, l'unité astronomique, n'est pas résolue, même par les meilleurs télescopes actuels — elle représente une séparation angulaire de 10 millisecondes d'arc (mas) contre un pouvoir de résolution typique de 100 mas en visible et infrarouge proche. Histoire L'étude de la formation stellaire, sous sa forme moderne, est récente mais les idées principales remontent à la remise en cause de la vision aristotélicienne du monde durant la Renaissance. Parmi d'autres, Tycho Brahe contribua à changer l'idée de l'immuabilité de la voûte céleste par sa démonstration du caractère translunaire de la supernova de 1572 et d'une comète apparue en 1577, en notant qu'un objet proche devrait changer de position par rapport au fond du ciel selon l'endroit d'où il est observé (phénomène de parallaxe) : « Il est maintenant clair pour moi qu'il n'existe pas de sphères célestes dans les cieux. Ces dernières ont été construites par des auteurs pour sauver les apparences, n'existant que dans leur imagination, dans le but de permettre à l'esprit de concevoir le mouvement fait par les corps célestes. » (Tycho Brahe, De mundi aetheri recentioribus phaenomenis). Mais la grande avancée est avant tout la remise en cause du géocentrisme avec Copernic, Galilée et Kepler sur la base, notamment, des observations de Tycho Brahe : la description du mouvement des planètes se simplifie avec une vision Le système solaire, les galaxies, l’univers Olivier Sabbagh GAP 47 Janvier 2015 Page 1 héliocentrique, d'une part, et, d'autre part, Galilée observe des satellites de Jupiter. Dès lors, la formation du système solaire devint un objet d'étude non plus théologique mais scientifique. Descartes, dans le Traité du monde et de la lumière (écrit au début des années 1630, publié à titre posthume en 1664), repris par Kant en 1755 dans son Histoire générale de la nature et théorie du ciel, conjecturait que Soleil et planètes ont même origine et se sont formés à partir d'une nébuleuse unique qui se serait contractée. En son sein se serait condensé le Soleil au centre et les planètes dans un disque nébulaire l'environnant. Laplace reprit et améliora le scénario en 1796 : la nébuleuse solaire primitive voit sa rotation accélérer à mesure qu'elle se contracte, ce qui produit un disque tournant autour d'un cœur dense en son centre. Ce disque, en se refroidissant, est le siège d'instabilités et se divise en anneaux qui forment par la suite les planètes, le cœur devient le Soleil. Cette théorie se heurte toutefois à un problème de taille, à savoir que la conservation du moment angulaire prédit un Soleil tournant beaucoup trop rapidement. Formation du système solaire : scénario de la nébuleuse primitive de Laplace L'hypothèse concurrente du scénario catastrophique, suggérée par Buffon dans son Histoire naturelle (XVIIIe siècle), acquiert une certaine popularité vers la fin du XIXe siècle; elle postule que le passage d'une étoile au voisinage du Soleil en aurait arraché un filament de matière générant les planètes7. Elle est reprise et formalisée par Jeffreys en 1918. Cette hypothèse s'avéra par la suite douteuse. Russell montra en 1935 qu'une collision avec les vitesses stellaires observées, de l'ordre de quelques dizaines de km/s (typiquement cent mille kilomètres par heure), ne peut permettre d'arracher au Soleil de la matière possédant suffisamment de moment cinétique et Spitzer (1939) que le filament de matière supposément obtenu est instable. Ces études sonnèrent le glas du scénario catastrophique et annoncèrent un retour vers la théorie nébulaire. Formation du système solaire : scénario catastrophique de Buffon Le milieu du XXe siècle marqua le début d'une vision moderne de la genèse du système solaire, en particulier, et de la formation stellaire en général, avec la confirmation de la théorie nébulaire. Dans les années quarante, Joy découvrit des étoiles possédant un comportement « déviant » dans le nuage sombre du Taureau et du Cocher : d'un type spectral caractéristique d'étoiles froides et de très faible masse, elles présentent des raies en émission, de fortes variations de luminosité et une connexion manifeste avec des nébuleuses en absorption ou en émission. Bien que leur nature ne fût pas comprise d'emblée, la découverte allait enfin apporter du grain à moudre, des éléments observationnels, pour la compréhension de la formation stellaire. Leur extrême jeunesse fut rapidement suggérée par Ambartsumian dans la fin des années 1940, mais cela prit un certain temps pour qu'elle fût confirmée et acceptée, dans les années 1960. Un nouveau bond en avant fut permis par le progrès des détecteurs infrarouges dans les années soixante : Mendoza (1966) découvrit chez ces étoiles un excès infrarouge important difficile à expliquer du seul fait de l'extinction (absorption du rayonnement par de la matière en avant-plan, ce qui se manifeste par un rougissement de la lumière); cet excès fut interprété comme la présence d'un Disque protoplanétaire accrétant sur l'étoile. Cette hypothèse fut confirmée dans les années 1990 avec l'obtention d'images de ces disques grâce au télescope spatial Hubble (télescope optique situé en orbite), au VLT en optique adaptative (télescope en lumière visible et infrarouge sis au Chili) et à l'interféromètre millimétrique du Plateau de Bure (radiotélescope situé en France). L'interférométrie optique a permis depuis 1998 de confirmer ces résultats autour d'autres étoiles jeunes et de mesurer le diamètre apparent de dizaines disques proto- planétaires. D'autres structures associées aux étoiles jeunes comme les jets ont été imagées. Le système solaire, les galaxies, l’univers Olivier Sabbagh GAP 47 Janvier 2015 Page 2 Nébuleuse du cône, zone de formation stellaire Observation de disques en absorption autour d'étoiles jeunes dans la nébuleuse d'Orion.