Il y a environ 4,6 milliards d'années, un énorme nuage d'hydrogène gazeux et de poussière s'effondre sous son propre poids, s'aplatissant finalement en un disque appelé la nébuleuse solaire. La plupart de ce matériau interstellaire s'est contracté au centre du disque pour former le soleil, et une partie du gaz et de la poussière restants de la nébuleuse solaire se sont condensés pour former les planètes et le reste de notre système solaire.

Aujourd'hui, des scientifiques du MIT et leurs collègues ont estimé la durée de vie de la nébuleuse solaire, une étape clé au cours de laquelle une grande partie de l'évolution du système solaire a pris forme.

Cette nouvelle estimation suggère que les géantes gazeuses Jupiter et Saturne doivent s'être formées au cours des 4 premiers millions d'années de la formation du système solaire. Par ailleurs, ils doivent avoir terminé la migration au gaz de leurs positions orbitales à ce moment-là.

"Il se passe tellement de choses au tout début de l'histoire du système solaire, " dit Benjamin Weiss, professeur de terre, atmosphérique, et les sciences planétaires au MIT. "Bien sûr que les planètes évoluent après ça, mais la structure à grande échelle du système solaire a été essentiellement établie au cours des 4 premiers millions d'années."

Weiss et le postdoctorant du MIT Huapei Wang, le premier auteur de cette étude, rapportent leurs résultats aujourd'hui dans le journal Science . Leurs co-auteurs sont Brynna Downey, Clément Suavet, et Roger Fu du MIT; Xue-Ning Bai du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics; Jun Wang et Jiajun Wang du Laboratoire national de Brookhaven; et Maria Zucolotto du Musée national de Rio de Janeiro.

Enregistreurs spectaculaires

En étudiant les orientations magnétiques dans des échantillons vierges de météorites anciennes qui se sont formées il y a 4,653 milliards d'années, l'équipe a déterminé que la nébuleuse solaire a duré environ 3 à 4 millions d'années. Il s'agit d'un chiffre plus précis que les estimations précédentes, qui a placé la durée de vie de la nébuleuse solaire entre 1 et 10 millions d'années.

L'équipe est arrivée à sa conclusion après avoir soigneusement analysé les angrites, qui sont parmi les roches planétaires les plus anciennes et les plus vierges. Les angrites sont des roches ignées, dont on pense que beaucoup sont entrés en éruption à la surface des astéroïdes très tôt dans l'histoire du système solaire, puis se sont rapidement refroidis, geler leurs propriétés d'origine, y compris leur composition et les signaux paléomagnétiques, en place.

Les scientifiques considèrent les angrites comme des enregistreurs exceptionnels du système solaire primitif, d'autant plus que les roches contiennent également de grandes quantités d'uranium, qu'ils peuvent utiliser pour déterminer avec précision leur âge.

"Les Angrites sont vraiment spectaculaires, " Weiss dit. " Beaucoup d'entre eux ressemblent à ce qui pourrait être en éruption à Hawaï, mais ils se sont refroidis sur un planétésimal très précoce."

Weiss et ses collègues ont analysé quatre angrites qui sont tombés sur Terre à différents endroits et à différents moments.

"On est tombé en Argentine, et a été découvert quand un ouvrier agricole labourait son champ, " Weiss dit. " Cela ressemblait à un artefact indien ou un bol, et le propriétaire l'a gardé près de cette maison pendant environ 20 ans, jusqu'à ce qu'il décide finalement de le faire analyser, et il s'est avéré que c'était une météorite vraiment rare."

Les trois autres météorites ont été découvertes au Brésil, Antarctique, et le désert du Sahara. Les quatre météorites étaient remarquablement bien conservées, n'ayant subi aucun chauffage supplémentaire ni aucun changement de composition majeur depuis leur formation initiale.

Mesurer de minuscules boussoles

L'équipe a obtenu des échantillons des quatre météorites. En mesurant le rapport uranium/plomb dans chaque échantillon, des études antérieures avaient déterminé que les trois plus anciennes se sont formées il y a environ 4,653 milliards d'années. Les chercheurs ont ensuite mesuré la magnétisation résiduelle des roches à l'aide d'un magnétomètre de précision du laboratoire de paléomagnétisme du MIT.

"Les électrons sont de petites aiguilles de boussole, et si vous en alignez un tas dans un rocher, la roche se magnétise, " explique Weiss. " Une fois qu'ils sont alignés, ce qui peut arriver lorsqu'une roche se refroidit en présence d'un champ magnétique, alors ils restent comme ça. C'est ce que nous utilisons comme enregistrements d'anciens champs magnétiques."

Quand ils ont placé les angrites dans le magnétomètre, les chercheurs ont observé très peu de magnétisation résiduelle, indiquant qu'il y avait très peu de champ magnétique présent lorsque les angrites se sont formés.

L'équipe est allée plus loin et a tenté de reconstituer le champ magnétique qui aurait produit les alignements des roches, ou l'absence de. Faire cela, ils ont chauffé les échantillons, puis les a refroidis à nouveau dans un champ magnétique contrôlé en laboratoire.

« Nous pouvons continuer à réduire le champ du laboratoire et reproduire ce qu'il y a dans l'échantillon, " dit Weiss. " Nous trouvons que seuls les champs de laboratoire très faibles sont autorisés, étant donné le peu de magnétisation résiduelle dans ces trois angrites."

Spécifiquement, l'équipe a découvert que la magnétisation résiduelle des angrites aurait pu être produite par un champ magnétique extrêmement faible de pas plus de 0,6 microteslas, il y a 4,653 milliards d'années, ou, environ 4 millions d'années après le début du système solaire.

En 2014, Le groupe de Weiss a analysé d'autres météorites anciennes qui se sont formées au cours des 2 à 3 premiers millions d'années du système solaire, et a trouvé des preuves d'un champ magnétique qui était environ 10 à 100 fois plus fort, environ 5 à 50 microtesla.

"Il est prédit qu'une fois que le champ magnétique chute d'un facteur 10-100 dans le système solaire interne, que nous venons de montrer, la nébuleuse solaire s'en va très vite, à moins de 100, 000 ans, " dit Weiss. " Donc même si la nébuleuse solaire n'avait pas disparu d'ici 4 millions d'années, c'était essentiellement sur le point de disparaître."

Les planètes s'alignent

La nouvelle estimation des chercheurs est beaucoup plus précise que les estimations précédentes, qui étaient basées sur des observations d'étoiles lointaines.

"Quoi de plus, le paléomagnétisme des angrites contraint la durée de vie de notre propre nébuleuse solaire, tandis que les observations astronomiques mesurent évidemment d'autres systèmes solaires lointains, " ajoute Wang. " Étant donné que la durée de vie de la nébuleuse solaire affecte de manière critique les positions finales de Jupiter et de Saturne, il affecte également la formation ultérieure de la Terre, notre maison, ainsi que la formation d'autres planètes terrestres."

Maintenant que les scientifiques ont une meilleure idée de combien de temps la nébuleuse solaire a persisté, ils peuvent également déterminer comment des planètes géantes telles que Jupiter et Saturne se sont formées. Les planètes géantes sont principalement constituées de gaz et de glace, et il y a deux hypothèses dominantes sur la façon dont tout ce matériel s'est réuni en une planète. L'un suggère que les planètes géantes se sont formées à partir de l'effondrement gravitationnel du gaz en condensation, comme le soleil l'a fait. L'autre suggère qu'ils sont apparus dans un processus en deux étapes appelé accrétion du noyau, dans lequel des morceaux de matériau se sont brisés et fusionnés pour former de plus gros rochers, corps glacés. Une fois ces corps suffisamment massifs, ils auraient pu créer une force gravitationnelle qui a attiré d'énormes quantités de gaz pour finalement former une planète géante.

Selon les prédictions précédentes, les planètes géantes qui se forment par effondrement gravitationnel de gaz devraient terminer leur formation générale en moins de 100, 000 ans. Accrétion de noyau, en revanche, est généralement pensé pour prendre beaucoup plus de temps, de l'ordre de 1 à plusieurs millions d'années. Weiss dit que si la nébuleuse solaire était là dans les 4 premiers millions d'années de formation du système solaire, cela soutiendrait le scénario d'accrétion de base, ce qui est généralement favorisé par les scientifiques.

"Les géantes gazeuses doivent s'être formées 4 millions d'années après la formation du système solaire, " Weiss dit. " Les planètes se déplaçaient partout, aller et retour sur de grandes distances, et on pense que tout ce mouvement a été entraîné par les forces gravitationnelles du gaz. Nous disons que tout cela s'est produit au cours des 4 premiers millions d'années."