Bien que la Terre ait longtemps été étudiée en détail, certaines questions fondamentales restent sans réponse. L'une d'entre elles concerne la formation de notre planète, dont les chercheurs sont encore peu clairs sur les débuts. Une équipe de recherche internationale dirigée par l'ETH Zurich et le Pôle de recherche national PlanetS propose maintenant une nouvelle réponse à cette question basée sur des expériences en laboratoire et des simulations informatiques. Les chercheurs ont publié leur étude dans la revue Nature Astronomy .

Un écart inexplicable

"La théorie dominante en astrophysique et en cosmochimie est que la Terre s'est formée à partir d'astéroïdes chondritiques. Ce sont des blocs relativement petits et simples de roche et de métal qui se sont formés au début du système solaire", explique l'auteur principal de l'étude, Paolo Sossi, professeur de sciences expérimentales. Planétologie à l'ETH Zurich. "Le problème avec cette théorie est qu'aucun mélange de ces chondrites ne peut expliquer la composition exacte de la Terre, qui est beaucoup plus pauvre en éléments légers et volatils tels que l'hydrogène et l'hélium que ce à quoi nous nous attendions."

Diverses hypothèses ont été avancées au fil des ans pour expliquer cet écart. Par exemple, il a été postulé que les collisions des objets qui ont formé plus tard la Terre ont généré d'énormes quantités de chaleur. Cela a vaporisé les éléments légers, laissant la planète dans sa composition actuelle.

Cependant, Sossi est convaincu que ces théories sont rendues invraisemblables dès que l'on mesure la composition isotopique des différents éléments de la Terre :"Les isotopes d'un élément chimique ont tous le même nombre de protons, quoique des nombres de neutrons différents. Les isotopes avec moins de neutrons sont plus léger et devrait donc pouvoir s'échapper plus facilement. Si la théorie de la vaporisation par chauffage était correcte, on trouverait aujourd'hui moins de ces isotopes légers sur Terre que dans les chondrites d'origine. Mais c'est précisément ce que les mesures isotopiques ne montrent pas. "

Un creuset cosmique

L'équipe de Sossi a donc cherché une autre solution. "Les modèles dynamiques avec lesquels nous simulons la formation des planètes montrent que les planètes de notre système solaire se sont formées progressivement. De petits grains se sont développés au fil du temps pour devenir des planétésimaux de la taille d'un kilomètre en accumulant de plus en plus de matière grâce à leur attraction gravitationnelle", explique Sossi. Semblables aux chondrites, les planétésimaux sont également de petits corps de roche et de métal. Mais contrairement aux chondrites, elles ont été suffisamment chauffées pour se différencier en un noyau métallique et un manteau rocheux. "De plus, les planétésimaux qui se sont formés dans différentes zones autour du jeune soleil ou à des moments différents peuvent avoir des compositions chimiques très différentes", ajoute Sossi. La question est maintenant de savoir si la combinaison aléatoire de différents planétésimaux aboutit réellement à une composition qui correspond à celle de la Terre.

Pour le savoir, l'équipe a effectué des simulations dans lesquelles des milliers de planétésimaux sont entrés en collision les uns avec les autres dans le système solaire primitif. Les modèles ont été conçus de manière à reproduire au fil du temps des corps célestes correspondant aux quatre planètes rocheuses Mercure, Vénus, la Terre et Mars. Les simulations montrent qu'un mélange de nombreux planétésimaux différents pourrait en fait conduire à la composition effective de la Terre. De plus, la composition de la Terre est même le résultat statistiquement le plus probable de ces simulations.

Un plan pour d'autres planètes

"Même si on s'en doutait, on a quand même trouvé ce résultat très remarquable", se souvient Sossi. "Nous avons maintenant non seulement un mécanisme qui explique mieux la formation de la Terre, mais nous avons aussi une référence pour expliquer la formation des autres planètes rocheuses", explique le chercheur. Le mécanisme pourrait être utilisé, par exemple, pour prédire en quoi la composition de Mercure diffère de celle des autres planètes rocheuses. Ou comment les exoplanètes rocheuses d'autres étoiles pourraient être composées.

"Notre étude montre à quel point il est important de considérer à la fois la dynamique et la chimie lorsqu'on essaie de comprendre la formation planétaire", note Sossi. "J'espère que nos découvertes conduiront à une collaboration plus étroite entre les chercheurs dans ces deux domaines." + Explorer plus loin

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