L'inclinaison d'Uranus a essentiellement la planète en orbite autour du Soleil, son axe de rotation pointe presque vers le Soleil.
(Image: © NASA et Erich Karkoschka, U. d'Arizona)
Bien que les planètes entourent les étoiles de la galaxie, la façon dont elles se forment reste un sujet de débat. Malgré la richesse des mondes de notre propre système solaire, les scientifiques ne savent toujours pas comment les planètes sont construites. Actuellement, deux théories s'affrontent pour le rôle de champion.
La première et la plus largement acceptée, l'accrétion du noyau, fonctionne bien avec la formation des planètes terrestres mais a des problèmes avec les planètes géantes comme Uranus. La seconde, la méthode de l'instabilité du disque, peut expliquer la création de planètes géantes.
"Ce qui sépare les géantes de glace des géantes gazeuses est leur histoire de formation: pendant la croissance du cœur, les premières n'ont jamais dépassé la [masse critique] dans un disque de gaz plein", ont écrit les chercheurs Renata Frelikh et Ruth Murray-Clay dans un document de recherche.
Le modèle d'accrétion de base
Il y a environ 4,6 milliards d'années, le système solaire était un nuage de poussière et de gaz connu sous le nom de nébuleuse solaire. La gravité a effondré le matériau sur lui-même lorsqu'il a commencé à tourner, formant le soleil au centre de la nébuleuse.
Avec la montée du soleil, le reste des matériaux a commencé à s'agglutiner. De petites particules se sont rassemblées, liées par la force de gravité, en particules plus grosses. Le vent solaire a emporté des éléments plus légers, tels que l'hydrogène et l'hélium, des régions les plus proches, ne laissant que des matériaux lourds et rocheux pour créer des mondes terrestres. Mais plus loin, les vents solaires ont eu moins d'impact sur les éléments plus légers, leur permettant de fusionner en géants gazeux comme Uranus. De cette façon, des astéroïdes, des comètes, des planètes et des lunes ont été créés.
Contrairement à la plupart des géants gazeux, Uranus a un noyau rocheux plutôt que gazeux. Le noyau s'est probablement formé en premier, puis a rassemblé l'hydrogène, l'hélium et le méthane qui composent l'atmosphère de la planète. La chaleur du noyau détermine la température et la météo d'Uranus, maîtrisant la chaleur provenant du soleil lointain, qui est à près de 2 milliards de kilomètres.
Certaines observations exoplanètes semblent confirmer l'accrétion du noyau comme le processus de formation dominant. Les étoiles avec plus de «métaux» - un terme que les astronomes utilisent pour des éléments autres que l'hydrogène et l'hélium - ont dans leurs noyaux plus de planètes géantes que leurs cousins pauvres en métaux. Selon la NASA, l'accumulation de noyau suggère que les petits mondes rocheux devraient être plus communs que les géants gaziers plus massifs.
La découverte en 2005 d'une planète géante avec un noyau massif en orbite autour de l'étoile semblable au soleil HD 149026 est un exemple d'exoplanète qui a aidé à renforcer les arguments en faveur de l'accrétion du noyau.
"Ceci est une confirmation de la théorie de base de l'accrétion pour la formation des planètes et la preuve que des planètes de ce type devraient exister en abondance", a déclaré Greg Henry dans un communiqué de presse. Henry, astronome de la Tennessee State University, Nashville, a détecté la gradation de l'étoile.
En 2017, l'Agence spatiale européenne prévoit de lancer le satellite ExOPlanet caractérisant (CHEOPS), qui étudiera les exoplanètes de tailles allant des super-Terres à Neptune. L'étude de ces mondes lointains peut aider à déterminer comment les planètes du système solaire se sont formées.
"Dans le scénario d'accrétion du cœur, le cœur d'une planète doit atteindre une masse critique avant de pouvoir augmenter le gaz de façon galopante", a déclaré l'équipe CHEOPS. "Cette masse critique dépend de nombreuses variables physiques, parmi lesquelles la plus importante est le taux d'accrétion planétésimal."
En étudiant comment les planètes en croissance accroissent le matériel, CHEOPS fournira un aperçu de la croissance des mondes.
Le modèle d'instabilité du disque
Mais la nécessité d'une formation rapide pour les planètes gazeuses géantes est l'un des problèmes d'accrétion du cœur. Selon les modèles, le processus prend plusieurs millions d'années, plus longtemps que les gaz légers n'étaient disponibles dans les premiers systèmes solaires. Dans le même temps, le modèle d'accrétion de base est confronté à un problème de migration, car les bébés planètes sont susceptibles de se faufiler dans le soleil en peu de temps.
"Les planètes géantes se forment très rapidement, en quelques millions d'années", a déclaré à Space.com Kevin Walsh, chercheur au Southwest Research Institute de Boulder, Colorado. "Cela crée une limite de temps car le disque de gaz autour du soleil ne dure que 4 à 5 millions d'années."
Selon une théorie relativement nouvelle, l'instabilité du disque, les amas de poussière et de gaz sont liés ensemble au début de la vie du système solaire. Au fil du temps, ces amas se compactent lentement en une planète géante. Ces planètes peuvent se former plus rapidement que leurs rivaux d'accrétion de base, parfois en aussi peu que mille ans, ce qui leur permet de piéger les gaz plus légers qui disparaissent rapidement. Ils atteignent également rapidement une masse stabilisatrice d'orbite qui les empêche de marcher à mort au soleil.
Alors que les scientifiques continuent d'étudier les planètes à l'intérieur du système solaire, ainsi que autour d'autres étoiles, ils comprendront mieux comment Uranus et ses frères et sœurs se sont formés.
Accrétion de galets
Le plus grand défi à l'accumulation de cœur est le temps - la construction d'énormes gaz géants assez rapidement pour saisir les composants les plus légers de leur atmosphère. Des recherches récentes sur la façon dont des objets plus petits et de la taille d'un caillou se sont fusionnés pour construire des planètes géantes jusqu'à 1000 fois plus rapidement que des études antérieures.
"C'est le premier modèle que nous connaissons qui commence avec une structure assez simple pour la nébuleuse solaire à partir de laquelle les planètes se forment et se retrouve avec le système de planète géante que nous voyons", a expliqué l'auteur principal de l'étude, Harold Levison, astronome. au Southwest Research Institute (SwRI) dans le Colorado, a déclaré Space.com en 2015.
En 2012, les chercheurs Michiel Lambrechts et Anders Johansen de l'Université de Lund en Suède ont proposé que de minuscules cailloux, une fois amortis, détiennent la clé de la construction rapide de planètes géantes.
"Ils ont montré que les cailloux restants de ce processus de formation, qui étaient auparavant considérés comme sans importance, pourraient en fait être une énorme solution au problème de formation de la planète", a déclaré Levison.
Levison et son équipe se sont appuyés sur ces recherches pour modéliser plus précisément comment les minuscules cailloux pourraient former des planètes vues dans la galaxie aujourd'hui. Alors que les simulations précédentes, des objets de grande et moyenne taille consommaient leurs cousins de galets à un taux relativement constant, les simulations de Levison suggèrent que les plus gros objets agissaient plus comme des brutes, arrachant des cailloux des masses moyennes pour croître beaucoup plus rapidement. taux.
"Les objets plus gros ont désormais tendance à disperser davantage les plus petits que les plus petits, donc les plus petits finissent par se disperser hors du disque de galets", a déclaré à Space.com la co-auteur de l'étude, Katherine Kretke, également de SwRI. . "Le plus gros type intimide fondamentalement le plus petit afin qu'ils puissent manger tous les cailloux eux-mêmes, et qu'ils puissent continuer à grandir pour former les noyaux des planètes géantes."
L'accrétion de galets est plus susceptible de fonctionner pour les planètes géantes que pour les mondes terrestres. Selon Sean Raymond, de l'Université de Bordeaux en France, c'est parce que les "cailloux" sont un peu plus gros et beaucoup plus faciles à retenir au-delà de la ligne de neige, la ligne imaginaire où le gaz est assez froid pour devenir de la glace.
"Pour les cailloux, c'est certainement un peu mieux d'être juste après la ligne de neige", a déclaré Raymond à Space.com.
Alors que l'accrétion de galets fonctionne bien pour les géants du gaz, il y a quelques défis pour les géants de la glace. En effet, les particules de millimètres à centimètres s'accumulent extrêmement efficacement.
"Ils s'accroissent si rapidement qu'il est difficile pour les noyaux géants de glace d'exister à peu près à leurs masses centrales actuelles pendant une fraction significative de la durée de vie du disque tout en accroissant une enveloppe de gaz", ont écrit Frelikh et Murray-Clay.
"Pour éviter l'emballement, ils doivent donc achever leur croissance à un moment précis, lorsque le disque de gaz est partiellement, mais pas entièrement, épuisé".
La paire a proposé que la majorité de l'accumulation de gaz sur les noyaux d'Uranus et de Neptune coïncide avec leur éloignement du soleil. Mais qu'est-ce qui pourrait les faire changer de maison dans le système solaire?
Un joli modèle
À l'origine, les scientifiques pensaient que les planètes se sont formées dans la même partie du système solaire dans laquelle elles vivent aujourd'hui. La découverte d'exoplanètes a bouleversé les choses, révélant qu'au moins certains des objets les plus massifs pourraient migrer.
En 2005, un trio d'articles publiés dans la revue Nature a proposé qu'Uranus et les autres planètes géantes étaient liées sur des orbites presque circulaires beaucoup plus compactes qu'elles ne le sont aujourd'hui. Un grand disque de roches et de glaces les entourait, s'étendant jusqu'à environ 35 fois la distance Terre-soleil, juste au-delà de l'orbite actuelle de Neptune. Ils ont appelé cela le modèle de Nice, après la ville de France où ils en ont discuté pour la première fois. (C'est prononcé Neese.)
Au fur et à mesure que les planètes interagissaient avec les corps plus petits, elles en dispersaient la plupart vers le soleil. Le processus les a amenés à échanger de l'énergie avec les objets, envoyant Saturne, Neptune et Uranus plus loin dans le système solaire. Finalement, les petits objets ont atteint Jupiter, ce qui les a envoyés voler au bord du système solaire ou complètement en dehors.
Le mouvement entre Jupiter et Saturne a entraîné Uranus et Neptune sur des orbites encore plus excentriques, envoyant la paire à travers le disque de glaces restant. Une partie du matériel a été projetée vers l'intérieur, où il s'est écrasé sur les planètes terrestres pendant le bombardement lourd tardif. D'autres matériaux ont été projetés vers l'extérieur, créant la ceinture de Kuiper.
Alors qu'ils se déplaçaient lentement vers l'extérieur, Neptune et Uranus ont échangé des places. Finalement, les interactions avec les débris restants ont amené la paire à s'installer sur des chemins plus circulaires lorsqu'ils ont atteint leur distance actuelle du soleil.
En cours de route, il est possible qu'une ou même deux autres planètes géantes aient été expulsées du système. L'astronome David Nesvorny du Southwest Research Institute au Colorado a modélisé le système solaire primitif à la recherche d'indices qui pourraient permettre de comprendre son histoire.
"Au début, le système solaire était très différent, avec beaucoup plus de planètes, peut-être aussi massives que Neptune, se formant et étant dispersées à différents endroits", a déclaré Nesvorny à Space.com.
Une jeunesse dangereuse
Le premier système solaire a été une période de violentes collisions, et Uranus n'était pas exempté. Alors que la surface de la lune et Mercure montrent tous deux des signes de bombardements par de plus petites roches et astéroïdes, Uranus a apparemment subi une collision importante avec une protoplanète de la taille de la Terre. En conséquence, Uranus est incliné sur le côté, avec un pôle pointé vers le soleil pendant la moitié de l'année.
Uranus est la plus grande des géantes de glace, peut-être en partie parce qu'elle a perdu une partie de sa masse lors de l'impact.
