Comment se forment les planètes ?

Aujourd'hui, exceptionnellement, j’adapte ici un petit article que l'on peut retrouver sur le site Kidi'Science. Je réponds à la question de Solenn, 5 et demi (ou peut-être 6 ans maintenant), "Comment se forment les planètes ?". Les illustrations sont signées Léely à qui l'on doit, entre autres, la chouette bannière de Kidi'Science.

Le système solaire vu par Léely, illustratrice

Un astéroïde vu par Léely, illustratrice

Les planètes, on sait tous à peu près à quoi ça ressemble. Mais juste pour être sûr de savoir de quoi on parle, voici une petite définition :

« Une planète est un corps dans l’espace, qui a la forme d’une très grande boule et qui tourne autour d’une étoile, sans autres corps gênants sur sa trajectoire ».

La Terre par exemple, est une planète, car elle tourne autour du Soleil et qu’elle est sphérique. Il n’y aucun autre corps céleste sur son chemin. Un astéroïde par contre, même s’il tourne autour du Soleil, n’est pas une planète car il est trop petit et n’a pas la forme d’une boule. Qui plus est, il suit une trajectoire qui peut l’amener à rencontrer d’autres corps célestes.. C’est ce qui se passe régulièrement dans le système solaire. D'ailleurs, la question de Solenn était posée ainsi : "Est-ce que les météorites sont des planètes? Comment les planètes et les météorites sont apparues?".

On peut déjà répondre à la première question : non, les météorites ne sont pas des planètes. Ce sont des rochers sans forme particulière, beaucoup plus petits que les planètes, qui se baladent dans l'espace et qui finissent par s'écraser sur des corps célestes plus gros. La plupart des météorites sont assez petites : elles font la taille d'un grain de sable ou d'une pomme. Il en tombe environ 100 tonnes tous les jours sur Terre. La plupart finissent au fond des océans ou se perdent dans les déserts. Certaines sont un peu plus grandes, comme des voitures ou des bus. Très rarement, elles font plusieurs kilomètres et peuvent causer des dégâts considérables en heurtant une planète. Les scientifiques adorent les météorites car elles les aident à comprendre comment le système solaire s'est formé. Au début de cette année, une météorite assez grande (un morceau d’astéroïde) s’est écrasée en Russie (vidéo ci-contre). En 1994, bien avant ta naissance donc, le monde entier a pu suivre en direct la chute d'une météorite énorme sur la planète Jupiter. Elle s'est cassée en plusieurs morceaux avant de heurter la planète à environ 60 kilomètres par seconde. Voici une petite vidéo qui montre ce qui s'est passé :

Sur Terre, les météorites énormes ne tombent pas très souvent. Heureusement car elles déclenchent des cataclysmes : tremblements de Terre, tsunamis, nuage de poussières etc. On pense que la disparition des dinosaures a été causée par un impact de météorite d'environ 10 kilomètres. Le cratère (le trou formé par l'impact) résultant est situé au Mexique et il est partiellement recouvert par les eaux aujourd'hui :

Le cratère de Chicxulub au Mexique

Les scientifiques pensent que les planètes se forment toutes de la même façon, je vais donc prendre l’exemple de notre système solaire, qui est composé d’une étoile (le soleil) et de huit planètes que tu connais probablement, et qui sont représentées ci-dessous :

Le système solaire vu par Léely, illustratrice

Ces huit planètes tournent autour du Soleil : on dit qu’elles sont « en orbite » autour du Soleil. Elles n’ont pas toutes la même taille, en fait, si on devait les représenter en respectant les différences de taille, ça donnerait à peu près ça :

Le système solaire vu par Léely, illustratrice

Elles ne sont pas non plus aussi collées les unes aux autres, mais j’ai la flemme de refaire un schéma.

La planète Mars, une des planètes rocheuses du système solaire, vue par Léely, illustratrice

Les planètes se divisent en 2 catégories : les planètes rocheuses (aussi appelées planètes telluriques) et les planètes gazeuses. Les planètes rocheuses (Mercure, Venus, la Terre et Mars) sont des planètes assez petites et « dures » qui sont constituées principalement de roches. Les planètes gazeuses sont beaucoup plus grandes, ont un noyau solide mais sont composées principalement de gaz. Tu as peut-être remarqué dans le schéma ci-dessus que les planètes gazeuses sont les plus éloignées du Soleil : nous verrons pourquoi dans la suite. Il existe aussi d’autres objets sphériques dans le système solaire, comme les planètes naines. Pour l’instant, on n’en compte que 5 : Cérès, Pluton, Makemake, Haumea et Éris, mais on s’attend à en trouver d’autres. Il n’a y pas si longtemps, Pluton faisait partie des planètes, mais on s’est aperçu qu’elle ne remplissait pas toutes les conditions. Comme elle n’avait pas convenablement fait le ménage sur son orbite, elle a été rétrogradée dans la catégorie des planètes naines (certains disent qu’elle est restée longtemps dans la liste des planètes car c’était la seule « découverte » par un citoyen des États-Unis). Voici une petite vidéo montrant la planète Mercure en train de tourner sur elle même (ce ne sont pas les vraies couleurs de la planète) :

Il existe dans l’Univers des milliards et des milliards d’étoiles. Certaines ressemblent au Soleil, d’autres non. Elles n’ont pas toutes des planètes mais on estime qu’il y a en moyenne plus d'une exoplanète (le nom donné aux planètes en dehors du système solaire) par étoile. Il y aurait donc environ cent milliards d’exoplanètes dans notre galaxie seulement, et à peu près cent mille milliards de milliards dans l'Univers. Pour te donner une idée, ce nombre est comparable à celui des grains de sables dans le désert du Sahara (qui est lui même presque trois fois plus grand que la France) ! On découvre régulièrement de nouvelles exo-planètes et certaines pourraient bien abriter des formes de vie.

Alors, d’où viennent les planètes ? 

Pour répondre à cette question, nous allons devoir parler de la formation du système solaire et de la force de gravitation.

La force de gravitation est une force qui existe partout et qui fait que les objets s’attirent entre eux. C’est la force qui fait que tout reste collé au sol : quand tu lances un ballon, il revient au sol à cause de la force de gravitation exercée par la Terre. La force de gravitation dépend de la masse des objets : plus un objet est grand et lourd, plus la force qui le lie aux autres objets est grande. Un ballon de foot attire la Terre autant que la Terre attire un ballon de foot, mais comme la Terre est des millions de milliards de milliards de fois plus « lourde », c’est le ballon qui retombe sur Terre, et pas la terre qui monte vers le ballon. La force de gravitation dépend aussi de la distance : plus des objets sont proches, plus la force qui les attire l’un à l’autre est élevée. A l’inverse, des objets très distants n’ont pas beaucoup d’effet l’un sur l’autre. A moins qu’ils soient immenses. La lune tourne autour de la Terre à environ 384 400 km, mais l’effet de la force d’attraction est bien visible : deux fois par jour, l’eau des océans monte ou descend, c’est ce qu’on appelle les marées.

La formation des planètes

Les scientifiques pensent que les planètes se forment en même temps que l’étoile autour de laquelle elles tournent. Cette formation peut être décomposée en 4 phases distinctes, mais globalement, c’est toujours la même chose : les planètes se forment à partir de morceaux plus petits qui se rentrent dedans, qui sont eux-mêmes formés par l’agglomération de morceaux encore plus petits.

La nébuleuse Trifide dans la constellation du Sagittaire. Crédit : R. Jay Gabany/Ciel et Espace Photos

Tout commence avec un immense nuage de gaz (composé presque intégralement de dihydrogène) et de poussières, communément appelé « nébuleuse solaire ». Sous l’effet de la force de gravitation, la matière commence à se regrouper en certains endroits et se met à tourner, comme l’eau d’une baignoire qui se vide. Plus la matière s’accumule, plus la force de gravitation devient forte. Au fur et à mesure que la matière se concentre, elle s’échauffe jusqu’à produire de la lumière. Plus la boule de gaz chaud grandit, plus elle attire à elle de la matière. Elle grossit jusqu’à devenir une sorte de bébé étoile, qu’on appelle « protoétoile ». Le nuage de gaz se contracte de plus en plus et tourne de plus en plus vite. Des processus assez complexes prennent place, et plus tard, un phénomène appelé fusion nucléaire apparaît.

Au bout de 10 000 ans environ, un disque fin de poussières se forme atour de la protoétoile. Il mesure quelques kilomètres d'épaisseur seulement. C’est là que les futures planètes vont se former.

Une étoile naissante, TW Hydrae, à 175 AL de la Terre, entourée d'un disque de poussières où des planètes sont très probablement en train de se former. Crédit : ESO/NAOJ/NRAO/Harvard-Smithsonian CfA

Les poussières commencent à s’accrocher les unes aux autres. Ces petits paquets de poussières, appelés « flocules » se désagrègent parfois ou tombent dans la protoétoile, encore une fois sous l’effet de la force de gravitation. Parfois les flocules percutent d’autres grains de matière et forment des paquets un peu plus gros. Les plus gros paquets deviennent de petits cailloux, propulsés n’importe comment dans l’espace. La phase qui suit est particulièrement chaotique : il faut imaginer des milliards de petits cailloux et de grains de matières qui tournent autour de la protoétoile à des vitesses folles, qui se bousculent, fusionnent ou se cassent en morceaux plus petits. Lorsqu’ils se percutent, l’énergie libérée est tellement grande qu’une partie ou la totalité du caillou fond (comme la lave des volcans). Les cailloux peuvent donc se souder ou coller à d’autres cailloux et parfois devenir un peu plus grands. On appelle ce phénomène « accrétion ».

Vue d’artiste d’un disque d’accrétion autour d’une étoile jeune. (©David Darling)

Au fur et à mesure, certains cailloux parviennent à dépasser une certaine masse critique au delà de laquelle ils peuvent « survivre » un peu plus longtemps aux collisions. Comme ils sont plus gros, ils attirent plus de petits cailloux et de poussières. A force de ramasser tout ce qui traine, ils grandissent de plus en plus. Parfois, ils percutent un autre gros caillou à fond la caisse et se brisent. Très rarement, ils atteignent une taille de quelques kilomètres (que l’on appelle des « planétésimaux »), et peuvent alors devenir un astéroïde, une comète, ou avec beaucoup de chance, une planète !

Dans le disque de matière qui tourne autour de l’étoile, c’est encore une gigantesque pagaille : il y a des débris de matière de toutes tailles, qui continuent à joyeusement se rentrer dedans. Comme précédemment, les plus gros débris attirent les plus petits. Ils finissent par faire le ménage autour d’eux : tous les autres morceaux de matière dans le voisinage viennent s’y coller pour former une boule de matière dense et très chaude. Les simulations faites sur ordinateur permettent de dire qu’il faut environ un milliard de planétésimaux et cent mille ans pour former un « bébé planète » appelé « cœur planétaire ». Une fois que le cœur planétaire a fait le ménage, il ne reste presque plus rien autour de lui et il ne grossit plus. On dit qu’il a atteint sa masse d’isolation. Il reste cependant beaucoup de débris dans le système solaire. Aujourd’hui encore, la Terre en  récupère 100 tonnes  par jour soit le poids de 20 éléphants !

Les cœurs planétaires, lancés à pleine vitesse, évoluent autour de leur étoile en croisant de temps à autres d’autres cœurs planétaires. En se percutant, ces cœurs forment des objets de plus en plus grands.  Les futures planètes, encore relativement « molles », se structurent en sphères sous l’effet de la force de gravitation. Les morceaux plus petits sont soit expulsés hors du système solaire, soit agglutinés aux cœurs planétaires. Peu à peu, ils se refroidissent et rencontrent de moins en moins de débris sur leur route. Le vent solaire, un flux de plasma issu du Soleil, contribue à éliminer certains débris.

Selon leur taille et leur distance au Soleil, les cœurs planétaires forment les deux grands types de planètes : rocheuses ou gazeuses. Les planètes rocheuses sont les plus proches du Soleil. Elles sont généralement plus petites et ont peu de satellites. Elles possèdent un noyau liquide. Voici par exemple un schéma de la structure de notre planète.

Structure du globe terrestre. Source

Plus loin de l’étoile, là où il fait suffisamment froid pour que l’eau soit sous forme de glace, on trouve les planètes gazeuses qui se forment autour de noyaux solides. Ces noyaux sont composés de métaux, de roches et de glace. Autour, on trouve une énorme enveloppe gazeuse composée d’éléments très légers comme l’Hélium ou l’Hydrogène (les mêmes éléments qui composent le soleil).

Structure de la planète gazeuse géante Jupiter

Ces planètes sont gigantesques ; Jupiter par exemple est plus de 300 fois plus grande que la Terre. Elles ont de nombreux satellites ainsi que des anneaux (même Jupiter). Voici une superbe vidéo composée à partir des images prises par la sonde Juno durant son dernier voyage autour de la planète Jupiter.

Latest view of Jupiter from NASA's Juno spacecraft from Enneagon on Vimeo.

Les planètes finissent de se transformer sous l’action des vents, de l’eau et de processus chimiques spécifiques. La planète Mars par exemple, n’a pas connu la même transformation que la Terre, même si elle lui ressemblait beaucoup au départ. La vidéo ci-dessous montre à quoi ressemblait cette planète il y a 4 milliards d'années :

Et celle-ci montre à quoi ressemble Mars aujourd'hui (ce sont de vraies images, mais l'effet 3D est artificiel).

A FICTIVE FLIGHT ABOVE REAL MARS from Jan Fröjdman on Vimeo.

Enfin ci-dessous, on peut voir une photographie d’une tempête sur la planète géante Saturne :

Une tempête sur Saturne. Photo : NASA/Cassini

Et, parce que c'est tellement beau, voici encore deux photographies prises par la sonde Cassini, au moment où la planète passait devant le Soleil.

On ignore encore beaucoup de choses sur la formation des planètes mais les scientifiques pensent que ce scenario de base peut expliquer la formation de la plupart des systèmes planétaires. Parfois, ils tombent sur des cas surprenants, comme cette planète gazeuse qui ne semble pas cadrer avec la théorie. Ils continuent d’observer l’espace pour trouver de nouvelles planètes et mieux comprendre leur histoire.

Pour une visite du système solaire, tu peux regarder la vidéo ci-dessous.

Et pour te rendre compte de son immensité, regarde cette vidéo. Pour admirer des photos de nébuleuses et autres objets de l’espace, tu peux regarder ce petit diaporama.

Allez, un dernier bonus, adapté de cette page bluffante sur le blog gourmand Cakecrumbs : un gâteau en forme de planète Jupiter !

La planète Jupiter , cuisinée par Rhiannon, sur Cakecrumbs

A découvrir sur le c@fé des Sciences :
Podcast science 59 – Les planètes habitables (mp3)