Formation et évolution du système solaire - Définition

Futur

Les astronomes estiment que le système solaire, tel que nous le connaissons, ne devrait pas changer profondément jusqu'à ce que le Soleil ait fusionné tout l'hydrogène de son noyau en hélium, débutant son évolution depuis la séquence principale du diagramme de Hertzsprung-Russell pour entrer dans la phase de géante rouge. Même ainsi, le système solaire continuera à évoluer.

Illustrations de quelques évènements majeurs à venir au sein du système solaire.

Évolution chaotique des orbites

L'étude des orbites des planètes s'est longtemps soldée par des échecs répétés, les observations tendant à s'écarter de tables pourtant de plus en plus précises. Ainsi l'existence de Neptune fut-elle pressentie pour corriger les errements d'Uranus. Toutefois, une fois les trajectoires des planètes correctement modélisées pour les temps actuels, la question restait posée de la régularité de ces mouvements sur le long terme. Lorsque Kepler introduit les mouvements elliptiques dans le système héliocentrique, les mouvements sont décrits comme périodiques, stables et indéfiniment réguliers. La gravitation newtonienne altère ensuite ce schéma en imposant des perturbations relatives, mais la stabilité apparente du système solaire conduit à penser que l'intervention divine maintenait la cohésion du système. Laplace et Lagrange montrent enfin que les irrégularités observées sont des oscillations légères de la forme de orbites (excentricité).

Toutefois, lorsque les calculs de trajectoires sont effectués pour des temps reculés, les solutions font intervenir des marges d'erreurs de plus en plus importantes, de sorte que le mouvement des orbites n'est plus régulier mais chaotique. Le modèle actuel montre une divergence exponentielle des trajectoires et de l'orientation des plans orbitaux. En réalité, la stabilité apparente des résultats de Laplace et de Lagrange tient surtout au fait que leurs solutions étaient fondées sur des équations partielles. Au-delà de quelques dizaines de millions d'années, l'incertitude sur les orbites est énorme. Au cœur de ces évolutions se trouve le phénomène de résonance orbitale, qui peut engendrer des phases critiques dans l'évolution des orbites sur le long terme (voir ainsi l'exemple de Mars et l'impact sur son climat). Bien que la résonance elle-même reste stable, il devient impossible de prédire la position de Pluton avec un quelconque degré de précision après plus de 10 à 20 millions d'années, mais on sait dans quelle fourchette de valeurs elle doit se situer. Un autre exemple est l'inclinaison de l'axe terrestre qui, à cause des frictions engendrées sur le manteau terrestre par les interactions (marées) causées par la Lune (voir ), deviendra incalculable au-delà de 1,5 à 4,5 milliards d'années.

Les orbites des planètes extérieures sont chaotiques à très long terme, et en conséquence ils possèdent un horizon de Lyapunov sur un intervalle de 2 à 230 millions d'années. Dans tous les cas cela signifie que la position d'une planète sur son orbite devient à terme impossible à prédire avec certitude (ainsi, par exemple la date des hivers et des étés devient incertaine), mais dans certains cas les orbites elles-mêmes peuvent changer radicalement. Ce chaos se manifeste plus fortement dans les changements d'excentricité, les orbites de certaines planètes devenant plus ou moins significativement elliptiques.

Finalement, le système solaire est stable en cela qu'aucune de ses planètes n'entrera en collision avec une autre ou ne sera éjectée du système solaire dans les prochains milliards d'années. Ensuite, à partir de cinq milliards d'années ou lorsque l'excentricité de Mars aura grandi jusqu'à 0,2, c'est-à-dire lorsqu'elle croisera l'orbite terrestre, la Terre et Mars pourraient entrer en collision. Dans la même échelle de temps, l'excentricité de Mercure pourrait croître encore davantage, et un passage à proximité de Vénus pourrait théoriquement les éjecter du système solaire toutes les deux ou l'envoyer sur une trajectoire de collision avec Vénus ou avec la Terre.

Les systèmes anneaux-lunes

L'évolution des systèmes lunaires est pilotée par les marées. Une lune exerce une force de marée dans l'objet autour duquel elle orbite (généralement une planète), ce qui crée un renflement dû à la force gravitationnelle différentielle à travers le diamètre de la planète. Dans le même temps, un renflement plus important déforme le satellite naturel. Lorsque la lune orbite dans le sens de rotation de la planète et que celle-ci tourne plus rapidement que cette lune, le renflement, induit par la marée, sera constamment en aval de l'orbite lunaire. Dans cette situation, le moment angulaire est transféré de la rotation de la planète à la révolution du satellite. La lune gagne ainsi de l'énergie et tourne alors suivant une spirale qui l'éloigne de la planète. En contrepartie, l'énergie, cédée par la planète, réduit sa vitesse de rotation.

La Terre et la Lune illustrent cette situation. Aujourd'hui, la Terre exerce un verrouillage par force de marée sur la Lune, où une rotation est égale à une révolution (d'environ 29 jours). Ainsi, la Lune montre toujours la même face à la Terre. Dans le futur, elle continuera de s'éloigner, et la rotation de la Terre continuera à ralentir graduellement. Dans 50 milliards d'années, si elles survivent , la Terre et la Lune seront en résonance complète, verrouillées par la force de marée. Chacune sera prisonnière d'une « résonance rotation–orbite » dans laquelle la Lune fera le tour de la Terre en 47 jours. De plus, elles tourneront autour de leurs axes respectifs à la même vitesse et chacune montrera un seul et même hémisphère à l'autre. Les lunes galiléennes de Jupiter en sont autant d'autres exemples, ainsi que la plupart des plus petites lunes de Jupiter et la plupart des grandes lunes de Saturne.

Neptune et sa Lune Triton, prises par Voyager 2. L'orbite de Triton atteindra probablement la limite de Roche en s'approchant de Neptune. Cela brisera cette lune, formant probablement un nouveau système d'anneaux.

Deux scénarios différents peuvent avoir lieu, dans lesquels le renflement de marée est en amont de son orbite. Si le satellite naturel orbite plus vite autour de la planète qu'elle ne tourne sur elle-même, la direction du transfert du moment angulaire est inversée, aussi la rotation de la planète est accélérée alors que la vitesse de révolution de la lune est réduite. Si le satellite naturel est rétrograde, c'est-à-dire lorsqu'il orbite dans le sens contraire à celui de la planète, les moments angulaires de la rotation et de la révolution ont des signes opposés, aussi le transfert tend à réduire la magnitude des deux rotations, qui s'annulent mutuellement.

Dans chacun de ces cas, le transfert du moment angulaire et de l'énergie est conservé si l'on considère le système à deux corps dans son ensemble. Cependant, la somme des énergies correspondant à la révolution de la lune ajoutée à celle de la rotation de la planète n'est pas conservée, mais décroît au cours du temps. Cela s'explique par la dissipation de chaleur en raison des frictions générées par le mouvement du renflement de marée sur la matière dont est composée la planète. Si les planètes étaient des fluides idéaux, sans frottement, le renflement de marée serait centré sous le satellite, et aucun transfert d'énergie n'aurait lieu. C'est la perte d'énergie cinétique à travers des frictions qui rend le transfert du moment angulaire possible.

Dans les deux cas, la décélération par la force de marée entraîne la lune dans une spirale qui la rapproche de sa planète jusqu'à ce que les contraintes de marée la brisent complètement. Les satellites créent ainsi potentiellement un système d'anneaux autour de la planète, à moins qu'ils ne s'engouffrent dans son atmosphère ou ne s'écrasent à sa surface. Un tel destin attend la lune Phobos de Mars dans un délai de 30 à 50 millions d'années, la lune Triton de Neptune dans 3,6 milliards d'années, la lune Métis et la lune Adrastée de Jupiter et au moins 16 petits satellites d'Uranus et de Neptune. La lune Desdemona d'Uranus peut aussi entrer en collision avec l'une de ses lunes voisines.

Une troisième possibilité est que les deux corps se soient verrouillés l'un sur l'autre. Dans ce cas, le renflement de marée reste directement sous la lune. Il n'y a alors plus de transfert de moment angulaire, et la période orbitale n'évolue plus. Le système Pluton et Charon est un exemple de ce type de configuration.

Avant la mission, en 2004, de la sonde Cassini–Huygens, il était communément admis que les anneaux de Saturne étaient bien plus jeunes que le système solaire et qu'ils se dissiperaient dans les 300 millions d'années à venir. On pensait que les interactions gravitationnelles avec les lunes de Saturne repoussaient graduellement les anneaux extérieurs vers la planète, alors que l'abrasion par des météorites et par la gravité de Saturne balayait le reste, laissant, à terme, Saturne dépouillée. Néanmoins, les données de cette mission ont conduit les scientifiques à réviser leur point de vue initial. Les observations ont en effet révélé, sur une épaisseur de 10 km, des matériaux de glace, structurés en mottes, qui se brisent et se reforment continuellement, renouvelant les anneaux. Les anneaux de Saturne sont bien plus massifs que les anneaux de toutes les autres géantes gazeuses. Cette énorme masse aurait préservé des anneaux à Saturne depuis que la planète s'est formée, il y a 4,5 milliards d'années, et elle les préservera durant encore plusieurs milliards d'années.

Environnements solaire et planétaire

À long terme, les changements les plus importants au sein du système solaire proviendront de l'évolution et du vieillissement du Soleil. Au fur et à mesure qu'il brûle son combustible (de l'hydrogène), il accroît sa température et brûle le carburant restant d'autant plus vite. Ainsi le Soleil élève sa luminosité de 10 % tous les 1,1 milliards d'années. Dans un milliard d'années, les radiations émises par le Soleil auront augmenté et sa zone habitable se sera déplacée vers l'extérieur, rendant la surface terrestre trop chaude pour que l'eau à l'état liquide puisse y subsister naturellement. À ce moment-là, toute forme de vie terrestre sera impossible. L'évaporation de l'eau, un gaz à effet de serre potentiel, depuis la surface des océans, pourrait accélérer l'élévation de la température, ce qui pourrait mettre fin à toute forme de vie sur Terre plus vite encore. À cette époque, il est possible que la température à la surface de Mars s'élève graduellement. Le dioxyde de carbone et l'eau actuellement gelés sous le sol martien seront libérés dans l'atmosphère, créant un effet de serre. Ce dernier réchauffera la planète jusqu'à ce qu'elle atteigne les conditions comparables à celles de la Terre aujourd'hui, offrant potentiellement un nouvel îlot possible pour la vie. Dans 3,5 milliards d'années, les conditions à la surface de la Terre seront similaires à celle de Vénus aujourd'hui.

Tailles relatives du Soleil tel qu'il est actuellement (inset) comparé à la taille (estimée) qu'il aura lorsqu'il sera devenu une géante rouge.

Dans environ 5,4 milliards d'années, le noyau du Soleil sera devenu suffisamment chaud pour engendrer la fusion de l'hydrogène dans ses couches supérieures. Cela engendrera une inflation colossale de la surface de l'étoile qui s'étendra en conséquence. À ce stade, il entrera dans une nouvelle phase de son cycle de vie, connue sous le nom de géante rouge. Dans 7,5 milliards d'années, le Soleil s'étendra sur un rayon de 1,2 UA, c'est-à-dire 256 fois sa taille actuelle. À l'apogée de la branche des géantes rouges, parce qu'il aura démultiplié sa surface, il aura une luminosité 2 700 fois plus importante et en conséquence il sera bien plus froid en surface (environ 2 600 K). Durant cette période de sa vie de géante rouge, le Soleil provoquera un vent solaire qui portera au loin environ 33 % de sa masse. À cette époque, il est possible que la lune Titan de Saturne puisse atteindre une température de surface nécessaire pour supporter la vie.

Alors que le Soleil s'étendra, il devrait absorber les planètes Mercure et, très probablement, Vénus. La destinée de la Terre est moins claire ; alors que le Soleil enveloppera l'orbite actuelle de la Terre, il aura perdu le tiers de sa masse (et d'attraction gravitationnelle), ce qui amènera les orbites de chaque planète à s'agrandir considérablement. En ne considérant que ce phénomène, Vénus et la Terre devraient sans doute échapper à l'incinération, mais une étude de 2008 suggère que la Terre sera néanmoins probablement absorbée à cause des interactions de marées liées à la faible enveloppe extérieure du Soleil.

Graduellement, l'hydrogène brûlant dans le manteau entourant le noyau solaire accroîtra la masse du noyau jusqu'à ce qu'elle ait atteint environ 45 % de la masse solaire actuelle. À ce point, la densité et la température deviendront si hautes que la fusion de l'hélium en carbone commencera, engendrant un flash de l'hélium ; le Soleil diminue alors d'environ 250 à 11 fois son rayon actuel. Par conséquent, sa luminosité diminue d'environ 3 000 à 54 fois son niveau actuel, et sa température de surface passera à environ 4 770 K. Le Soleil deviendra une étoile de la branche horizontale, brûlant l'hélium dans son cœur de façon stable, à la manière dont il brûle de l'hydrogène aujourd'hui. La période de fusion de l'hélium ne dépassera cependant pas 100 millions d'années. Finalement, il sera obligé de recourir à nouveau à la réserve d'hydrogène et d'hélium dans ses couches externes et va s'étendre une seconde fois, tournant dans ce qui est connu sous le nom de branche asymptotique des géantes. À ce stade, sa luminosité augmentera encore, pour atteindre 2 090 fois sa luminosité actuelle, et il refroidira jusqu'à environ 3 500 K. Cette phase durera environ 30 millions d'années, après quoi, sur une période de 100 000 ans, les couches externes du Soleil voleront en éclats, éjectant un vaste flux de matière dans l'espace et formant un halo (mal) nommé nébuleuse planétaire. La matière éjectée contiendra l'hélium et le carbone produits par les réactions nucléaires solaires, continuant à enrichir le milieu interstellaire avec des éléments lourds pour de futures générations de systèmes solaires.

La nébuleuse de la Lyre, une nébuleuse planétaire similaire à ce que le Soleil deviendra.

Il s'agira d'un évènement relativement « paisible », ne s'apparentant en rien à une supernova, que le Soleil est trop petit pour poursuivre dans le cadre de son évolution. Un observateur pouvant témoigner de cet évènement aurait observé une accélération massive de la vitesse des vents solaires, mais pas assez pour complètement détruire une planète. Néanmoins la perte de masse de l'étoile pourrait engendrer le chaos dans les orbites des planètes survivantes, les amenant éventuellement à une collision, ou encore les éjectant complètement du système solaire, à moins qu'elles ne soient complètement broyées par les forces de marées. Après quoi, tout ce qui restera du Soleil sera une naine blanche, un objet extraordinairement dense, représentant 54 % de sa masse originale dans le volume de la Terre. Initialement, cette naine blanche pourrait être 100 fois plus lumineuse que le Soleil actuel. Elle sera entièrement constituée de carbone et d'oxygène dégénérés, mais n'atteindra jamais une température suffisante pour déclencher la fusion de ces éléments. Ainsi elle se refroidira progressivement, devenant de moins en moins lumineuse.

Lorsque le Soleil sera mort, son pouvoir d'attraction sur les corps en orbite, comme les planètes, les comètes et les astéroïdes s'affaiblira à cause de sa perte de masse. Toutes les orbites des planètes restantes vont s'étendre ; si Vénus, la Terre et Mars existent encore, leurs orbites seront à peu près de 1,4 UA, de 1,9 UA et de 2,8 UA. Toutes les planètes deviendront sombres, glacées, et complètement dépourvues de toute forme de vie. Elles continueront à orbiter autour de leur étoile, leur vitesse étant réduite en raison de l'augmentation de la distance au Soleil et sa gravité réduite. Deux milliards d'années plus tard, quand le Soleil aura refroidi dans un intervalle de 6 000 K à 8 000 K, le carbone et l'oxygène dans le noyau du soleil gèleront, 90 % de sa masse restante devenant une structure cristalline. Finalement, après des trillions d'années supplémentaires, le Soleil cessera complètement de briller, devenant une naine noire.

Illustration des dernières étapes de l'évolution du système solaire.