L'hypothèse selon laquelle le système solaire proviendrait d'un gigantesque nuage de gaz et de poussière a été émise pour la première fois dans la seconde moitié du XVIIIe siècle par le philosophe allemand Immanuel Kant et développée par le mathématicien français Pierre-Simon de Laplace. C'est maintenant un consensus parmi les astronomes. Grâce à l'énorme quantité de données d'observation, ressources théoriques et de calcul désormais disponibles, il a été continuellement affiné, mais ce n'est pas un processus linéaire.

Ce n'est pas non plus sans controverses. Jusque récemment, on pensait que le système solaire avait acquis ses caractéristiques actuelles à la suite d'une période de turbulence qui s'est produite quelque 700 millions d'années après sa formation. Cependant, certaines des dernières recherches suggèrent qu'il a pris forme dans un passé plus lointain, à un certain stade au cours des 100 premiers millions d'années.

Une étude menée par trois chercheurs brésiliens offre des preuves solides de cette structuration antérieure. Rapporté dans un article publié dans la revue Icare , l'étude a été soutenue par la Fondation de recherche de São Paulo—FAPESP. Les auteurs sont tous affiliés à l'École d'ingénieurs de l'Université d'État de São Paulo (FEG-UNESP) à Guaratinguetá (Brésil).

L'auteur principal est Rafael Ribeiro de Sousa. Les deux autres auteurs sont André Izidoro Ferreira da Costa et Ernesto Vieira Neto, chercheur principal de l'étude.

"La grande quantité de données acquises à partir de l'observation détaillée du système solaire nous permet de définir avec précision les trajectoires des nombreux corps qui orbitent autour du soleil, " dit Ribeiro. " Cette structure orbitale nous permet d'écrire l'histoire de la formation du système solaire. Émergeant du nuage de gaz et de poussière qui entourait le soleil il y a environ 4,6 milliards d'années, les planètes géantes se sont formées sur des orbites plus proches les unes des autres et également plus proches du soleil. Les orbites étaient également plus coplanaires et plus circulaires qu'elles ne le sont maintenant, et plus interconnectés dans les systèmes dynamiques résonnants. Ces systèmes stables sont le résultat le plus probable de la dynamique gravitationnelle de la formation des planètes à partir de disques protoplanétaires gazeux."

Izidoro a offert plus de détails :« Les quatre planètes géantes—Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune - ont émergé du nuage de gaz et de poussière sur des orbites plus compactes, " dit-il. " Leurs mouvements étaient fortement synchrones en raison des chaînes résonantes, avec Jupiter accomplissant trois révolutions autour du soleil tandis que Saturne en accomplissait deux. Toutes les planètes étaient impliquées dans cette synchronicité produite par la dynamique du disque de gaz primordial et la dynamique gravitationnelle des planètes."

Cependant, dans toute la région de formation du système solaire externe, qui comprend la zone située au-delà des orbites actuelles d'Uranus et de Neptune, le système solaire avait une grande population de planétésimaux, de petits corps de roche et de glace considérés comme les éléments constitutifs des planètes et les précurseurs des astéroïdes, comètes et satellites.

Le disque planétésimal externe a commencé à perturber l'équilibre gravitationnel du système. Les résonances ont été perturbées après la phase gazeuse, et le système est entré dans une période de chaos au cours de laquelle les planètes géantes ont interagi violemment et ont éjecté de la matière dans l'espace.

"Pluton et ses voisins glacés ont été poussés dans la ceinture de Kuiper, où ils se trouvent maintenant, et tout le groupe de planètes a migré vers des orbites plus éloignées du soleil, " a déclaré Ribeiro.

La ceinture de Kuiper, dont l'existence a été proposée en 1951 par l'astronome néerlandais Gerard Kuiper et confirmée plus tard par des observations astronomiques, est une structure toroïdale (en forme de beignet) composée de milliers de petits corps en orbite autour du soleil.

La diversité de leurs orbites ne se voit dans aucune autre partie du système solaire. Le bord intérieur de la ceinture de Kuiper commence à l'orbite de Neptune à environ 30 unités astronomiques (UA) du soleil. Le bord extérieur est à environ 50 UA du soleil. Une UA est approximativement égale à la distance moyenne de la Terre au Soleil.

Revenant à la perturbation de la synchronicité et au début de l'étape chaotique, la question est de savoir quand cela s'est produit - très tôt dans la vie du système solaire, quand il avait 100 millions d'années ou moins, ou bien plus tard, probablement environ 700 millions d'années après la formation des planètes ?

"Jusque récemment, l'hypothèse d'instabilité tardive prédomine, " a déclaré Ribeiro. " La datation des roches lunaires rapportées par les astronautes d'Apollo a suggéré qu'elles avaient été créées par des astéroïdes et des comètes s'écrasant sur la surface lunaire en même temps. Ce cataclysme est connu sous le nom de « dernier bombardement lourd » de la lune. S'il s'est produit sur la lune, cela s'est vraisemblablement également produit sur Terre et sur les autres planètes telluriques du système solaire. Parce qu'une grande quantité de matière sous forme d'astéroïdes et de comètes a été projetée dans toutes les directions du système solaire pendant la période d'instabilité planétaire, il a été déduit des roches lunaires que cette période chaotique s'est produite tardivement, mais ces dernières années, l'idée d'un « bombardement tardif » de la lune est tombée en désuétude. »

Selon Ribeiro, si la catastrophe chaotique tardive s'était produite, il aurait détruit la Terre et les autres planètes telluriques, ou du moins causé des perturbations qui les auraient placés sur des orbites totalement différentes de celles que nous observons actuellement.

Par ailleurs, les roches lunaires rapportées par les astronautes d'Apollo se sont avérées avoir été produites par un seul impact. S'ils provenaient de l'instabilité des planètes géantes tardives, il y aurait des preuves de plusieurs impacts, vu la dispersion des planétésimaux par les planètes géantes.

"Le point de départ de notre étude était l'idée que l'instabilité devait être datée dynamiquement. L'instabilité ne peut s'être produite que plus tard s'il y avait une distance relativement importante entre le bord interne du disque des planétésimaux et l'orbite de Neptune lorsque le gaz était épuisé. Cette distance relativement grande s'est avérée insoutenable dans notre simulation, " a déclaré Ribeiro.

L'argument est basé sur une prémisse simple :plus la distance entre Neptune et le disque planétésimal est courte, plus l'influence gravitationnelle est grande, et donc plus la période d'instabilité est précoce. Inversement, l'instabilité ultérieure nécessite une plus grande distance.

"Ce que nous avons fait, c'est sculpter le disque planétésimal primordial pour la première fois. Pour ce faire, il fallait remonter à la formation des géants de glace Uranus et Neptune. Des simulations informatiques basées sur un modèle construit par le professeur Izidoro [Ferreira da Costa] en 2015 ont montré que la formation d'Uranus et de Neptune pourrait provenir d'embryons planétaires de plusieurs masses terrestres. Les collisions massives de ces super-Terres expliqueraient, par exemple, pourquoi Uranus tourne sur le côté, " Ribeiro a dit, se référant à "l'inclinaison d'Uranus, " avec des pôles nord et sud situés sur ses côtés plutôt qu'en haut et en bas.

Des études antérieures avaient souligné l'importance de la distance entre l'orbite de Neptune et la limite interne du disque planétésimal, mais ils ont utilisé un modèle dans lequel les quatre planètes géantes étaient déjà formées.

"La nouveauté de cette dernière étude est que le modèle ne commence pas avec des planètes complètement formées. Au lieu de cela, Uranus et Neptune sont encore en phase de croissance, et le moteur de la croissance est deux ou trois collisions impliquant des objets ayant jusqu'à cinq masses terrestres, " dit Izidoro.

"Imaginez une situation dans laquelle Jupiter et Saturne se forment, mais nous avons cinq à dix super-Terres au lieu d'Uranus et de Neptune. Les super-Terres sont forcées par le gaz à se synchroniser avec Jupiter et Saturne, mais étant nombreux, leur synchronicité fluctue, et ils finissent par entrer en collision. Les collisions réduisent leur nombre, rendre possible la synchronicité. Finalement, Il reste Uranus et Neptune. Pendant que les deux géantes de glace se formaient dans le gaz, le disque planétésimal se consumait. Une partie de la matière s'est accumulée sur Uranus et Neptune, et une partie a été propulsée à la périphérie du système solaire. La croissance d'Uranus et de Neptune a donc défini la position de la limite intérieure du disque planétésimal. Ce qui restait du disque est maintenant la ceinture de Kuiper. La ceinture de Kuiper est essentiellement une relique du disque planétésimal primordial, qui était autrefois beaucoup plus massive.

Le modèle proposé est cohérent avec les orbites actuelles des planètes géantes et avec la structure observée dans la ceinture de Kuiper. Il est également conforme à la motion des chevaux de Troie, un grand groupe d'astéroïdes qui partagent l'orbite de Jupiter et ont probablement été capturés lors de la perturbation de la synchronicité.

Selon un article publié par Izidoro en 2017, Jupiter et Saturne étaient toujours en formation, leur croissance contribuant au déplacement de la ceinture d'astéroïdes. Le dernier article est une sorte de continuation, à partir d'un stade où Jupiter et Saturne étaient complètement formés mais toujours synchronisés, et décrivant l'évolution du système solaire à partir de là.

"L'interaction gravitationnelle entre les planètes géantes et le disque planétésimal a produit des perturbations dans le disque de gaz qui se sont propagées sous forme d'ondes. Les ondes ont produit des systèmes planétaires compacts et synchrones. Lorsque le gaz s'est épuisé, l'interaction entre les planètes et le disque planétésimal a perturbé la synchronicité et a donné lieu à la phase chaotique. Compte tenu de tout cela, nous avons découvert que les conditions n'existaient tout simplement pas pour que la distance entre l'orbite de Neptune et la limite interne du disque planétésimal devienne suffisamment grande pour soutenir l'hypothèse d'instabilité tardive. C'est l'apport principal de notre étude, ce qui montre que l'instabilité s'est produite dans les 100 premiers millions d'années, et peut avoir eu lieu, par exemple, avant la formation de la Terre et de la Lune, " a déclaré Ribeiro.