La « déstabilisation » de la planète géante aurait pu coïncider avec la naissance de la lune de la Terre.

Un réarrangement vieux de longtemps des géantes planètes de notre système solaire aurait pu jouer un rôle clé dans la formation de la lune de la Terre.

Depuis des décennies, les scientifiques planétaires ont émis l'hypothèse que Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune sont nées beaucoup plus près du soleil et que les interactions gravitationnelles entre ces planètes les ont poussées vers leurs trajectoires contemporaines (SN: 5/10/22). Mais la datation de cette "instabilité orbitale des géantes planètes" a été difficile à établir.

Maintenant, une analyse des données météoritiques suggère que l'instabilité s'est produite entre 60 millions et 100 millions d'années après le début de la formation du système solaire, a rapporté le scientifique planétaire Alessandro Morbidelli le 5 octobre à San Antonio lors d'une réunion de la Division des sciences planétaires de l'American Astronomical Society. Cette période coïncide également approximativement avec celle de la formation de la lune de la Terre, qui aurait suivi la collision avec une planète de la taille de Mars.

L'instabilité des géantes planètes "est liée à un remodelage complet du système solaire, à la formation des réservoirs cométaires, et à la formation de la ceinture d'astéroïdes", explique Morbidelli, de l'Observatoire de la Côte d'Azur à Nice, en France. "Comprendre quand cela s'est produit permet de fixer une étape dans l'histoire du système solaire."

La migration des géantes planètes, proposée pour la première fois par Morbidelli et ses collègues en 2005, est une hypothèse largement acceptée pour expliquer de nombreux aspects du système solaire. En particulier, les géantes planètes suivent des orbites légèrement allongées et inclinées les unes par rapport aux autres. Cependant, les observations d'autres systèmes planétaires et des simulations informatiques de formation planétaire suggèrent que les géantes planètes, en général, se forment sur des orbites plus rapprochées, circulaires et coplanaires. En utilisant des simulations, Morbidelli et d'autres ont montré que si les géantes planètes de notre système solaire se sont formées de cette manière, elles ne seraient pas restées ainsi. Les interactions gravitationnelles finiraient par les placer sur les orbites qu'elles occupent aujourd'hui.

Au début, l'équipe pensait que cette instabilité s'était produite environ 600 millions d'années après la naissance du système solaire. Cette datation permettrait d'expliquer une éventuelle période de bombardement des planètes telluriques - Mercure, Vénus, la Terre et Mars - comme l'attestent les cratères sur la lune et les échantillons lunaires rapportés par les astronautes d'Apollo. Cependant, des travaux plus récents ont remis en question la réalité de ce "cataclysme lunaire".

Maintenant, Morbidelli soupçonne que l'instabilité orbitale s'est produite beaucoup plus tôt. Son raisonnement repose sur un type rare de météorite appelé enstatite chondrite EL.

Le mélange d'éléments dans ces météorites suggère qu'elles doivent être les restes d'un grand corps rocheux, de quelques centaines de kilomètres de diamètre, né près des planètes telluriques dans le disque poussiéreux qui tournait autrefois autour de notre soleil.

Ensuite, en 2022, Morbidelli et ses collègues ont montré que toutes les enstatites qui tombent sur Terre aujourd'hui doivent provenir d'une collection de fragments dans la ceinture d'astéroïdes entre Mars et Jupiter. Tous ces fragments se sont détachés d'Athor, l'un des nombreux astéroïdes de la ceinture, après qu'il se soit heurté il y a longtemps à un autre objet dans la ceinture. Dans l'ensemble, cette famille de matériaux équivaut à un astéroïde d'environ 60 kilomètres de diamètre - beaucoup plus petit que celui qui aurait donné naissance aux enstatites en premier lieu. Cela signifie qu'Athor doit n'être qu'une partie de ce corps rocheux plus grand, restée après une collision qui l'a détruit beaucoup plus près du soleil.

"La question est de savoir quel mécanisme dynamique peut permettre l'implantation d'Athor dans la ceinture d'astéroïdes ?", a déclaré Morbidelli lors de la réunion.

Il a essayé des simulations informatiques de plusieurs possibilités, mais jusqu'à présent, seule l'instabilité des géantes planètes semble capable d'envoyer Athor sur une orbite stable dans la ceinture d'astéroïdes.

Cela ne pourrait pas s'être produit plus tôt que 60 millions d'années après la naissance du système solaire, selon Morbidelli. Les éléments radioactifs présents dans les enstatites chondrites indiquent que leur corps parent se refroidissait lentement jusqu'à cette période, ce qui signifie qu'il était encore grand. Il ne s'était pas encore heurté à l'un des nombreux planétésimaux en mouvement provoqué par la formation des planètes telluriques.

D'autre part, les simulations suggèrent que l'instabilité ne peut pas s'être produite plus tard que environ 100 millions d'années après le début du système solaire. Une étude en 2018 a conclu que si les géantes planètes avaient migré plus tard, une paire d'astéroïdes surnommés Patrocle-Ménétius, suivant Jupiter autour du soleil tout en orbitant l'un autour de l'autre, auraient été séparés.

That 60-million- to 100-million-year window makes the instability a prime suspect in the diversion of a hypothesized planet that hit Earth, creating the moon (SN: 3/15/23).  The timing “seems right,” says Matthew Clement, an astrophysicist at the Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in Laurel, Md.  “Lots of things were happening in the solar system’s early history. However, dynamically speaking, we don’t have a whole lot of reason to believe that things changed much after the moon-forming impact.”

But he cautions that Morbidelli’s estimate is based on “one data point, of the breakup of one asteroid, pieces of which serendipitously happened to get to Earth.”

Still, “it’s nice that [the new result] is actually based on some real data, even if it’s indirectly, rather than just computer models,” says planetary scientist John Chambers. He has questions, though. “They suggest this happened when the formation of the terrestrial planets was more or less complete, apart maybe from the giant impact that formed the moon,” says Chambers, of the Carnegie Institution for Science in Washington, D.C. “But then there’s a good chance it would have messed up the orbits of the terrestrial planets and possibly led to some of them colliding,” which the current lineup of planets suggests did not happen.

Both Chambers and Matthews have worked on scenarios in which the orbital instability occurred even earlier, just a few million years after the solar system began. That earlier time for the instability would help explain one of the outstanding riddles of the solar system: the relatively small size of Mars compared with Earth and Venus. That’s because the instability would have removed many objects from near the orbit of Mars before it could grow to the size of Earth or larger. The new result from Morbidelli’s team seems to exclude that solution.

“I’m prepared to rely on the evidence,” Chambers says. But he isn’t convinced yet because many facets of the solar system’s present structure must be reconciled with any date for the giant planet instability.

Clement agrees. “There’s problems if the instability happened at 500 million years. There’s still problems that we have to resolve if it happened when they say it happened,” he says. “And there’s still problems if it happened immediately after the planets formed, in the first few million years. This story is not done being told yet.”

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