CNRS : Les taches sombres lunaires dues à un chamboulement des orbites planétaires

Paris, 26 mai 2005 – Les taches sombres lunaires dues à un chamboulement des orbites planétaires

Un nouveau modèle proposé par une équipe internationale de l’Observatoire de la Côte d’Azur (laboratoire Cassiopée, CNRS)(1) explique pour la première fois de façon naturelle et en même temps les orbites des planètes géantes, l’existence des astéroïdes Troyens et le bombardement planétaire tardif de la Terre et la Lune avec une précision jusqu’alors inégalée. Ces travaux font l’objet d’une série de trois articles publiés dans le journal Nature du 26mai 2005.

Les peuples de toutes cultures ont toujours été fascinés par les taches sombres sur la Lune, qui semblent dessiner un lapin, des grenouilles, ou la figure d’un clown. Ces taches sont en fait d’énormes bassins d’impacts qui furent inondés par une lave qui s’est solidifiée. Ces bassins se sont formés relativement tard dans l’histoire du Système Solaire approximativement 700 millions d’années après la formation de la Terre et de la Lune. Ils portent le témoignage d’une augmentation brutale et conséquente du taux de bombardement des planètes appelés le bombardement intense tardif ou Late Heavy Bombardment (LHB) en anglais. La cause de ce bombardement aussi soudain et intense est restée l’un des mystères les mieux préservés de notre Système Solaire.

Dans une série de trois articles publiés dans le journal Nature du 26 Mai 2005, l’équipe internationale de scientifiques(1)  propose un modèle qui non seulement apporte une solution naturelle au mystère de l’origine du LHB, mais explique aussi pour la première fois simultanément de nombreuses caractéristiques observées du Système Solaire externe.

Le nouveau modèle part de l’hypothèse que les quatre planètes géantes, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune, quand elles se sont formées, étaient dans une configuration bien plus compacte qu’actuellement. De plus, au-delà de nos quatre planètes s’étendait un disque constitué de nombreux petits corps glacés ou rocheux: les planétésimaux. Les simulations numériques effectuées par l’équipe de Nice, consistant à faire évoluer ce système, montrent alors que certains de ces planétésimaux ont été lentement éjectés du disque sous l’effet des perturbations gravitationnelles exercées par les quatre planètes. Celles-ci ont alors éparpillé ces petits objets dans le Système Solaire, parfois vers l’intérieur et parfois vers l’extérieur. « Comme Isaac Newton nous l’a appris, chaque action provoque une réaction égale et opposée », rappelle Kleomenis Tsiganis. « Si une planète éjecte un planétésimal en dehors du Système Solaire, en compensation, la planète se déplace légèrement vers le Soleil. Si à l’inverse la planète envoie le planétésimal vers l’intérieur, alors elle va s’éloigner légèrement du Soleil. »

Les simulations numériques indiquent qu’en moyenne Jupiter a dû se déplacer vers le Soleil tandis que les autres planètes géantes s’en sont éloignées.

Initialement, ce processus était très lent car quelques millions d’années étaient nécessaires pour produire un petit déplacement des planètes. Cependant, selon ce nouveau modèle, après 700 millions d’années, la situation a subi un changement brutal. À cette époque, Saturne a atteint une position à laquelle sa période orbitale correspondait exactement à deux fois celle de Jupiter. Cette configuration particulière a provoqué un allongement soudain des formes des trajectoires de Jupiter et de Saturne, c’est-à-dire une augmentation des excentricités de leurs orbites. 

« Cela a rendu folles les trajectoires d’Uranus et de Neptune » explique Rodney Gomes. « Leurs orbites sont devenues excentriques elles aussi et elles ont commencé à se perturber violemment entre elles, ainsi que Saturne. »

L’équipe de Nice suggère que cette évolution des orbites d’Uranus et de Neptune est à l’origine du LHB sur la Lune. Leurs simulations informatiques montrent que ces planètes ont très rapidement pénétré le disque de planétésimaux, éparpillant  ces petits objets dans l’ensemble du système planétaire. Un grand nombre d’entre eux ont ainsi atteint le Système Solaire interne où ils sont venus percuter la Terre et la Lune. De plus, le processus global a déstabilisé les orbites des astéroïdes situés entre Mars et Jupiter qui ont de ce fait contribué au LHB. Enfin, les effets gravitationnels du disque de planétésimaux ont provoqué le déplacement d’Uranus et de Neptune sur leurs orbites actuelles.

« C’est très convaincant ; » s’enthousiasme Harold Levison, « nous avons effectué plusieurs douzaines de simulations de ce processus, et statistiquement, les planètes ont fini sur des orbites très similaires à celles que nous observons, avec des séparations, des excentricités et des inclinaisons correctes. Donc, en plus du LHB, nous pouvons aussi expliquer les orbites des planètes géantes. Aucune autre recherche n’avait jamais réussi à reproduire en un seul modèle ces deux caractéristiques. » 

Cependant, il restait une difficulté de taille à surmonter. Le Système Solaire contient actuellement une population d’astéroïdes qui évolue à la même distance du Soleil que Jupiter mais suit ou devance la planète selon un angle de 60 degrés avec le Soleil. Les simulations numériques indiquent que ces corps, connus sous le nom d’astéroïdes Troyens, auraient dû être perdus lorsque les planètes géantes se sont déplacées.

« Nous sommes restés assis pendant des mois à cogiter sur ce problème qui semblait rendre invalide notre modèle », précise Alessandro Morbidelli, « jusqu’à ce que nous réalisions que si un oiseau peut s’échapper d’une cage ouverte, un autre peut y rentrer et y faire son nid ! »

Ainsi, l’équipe de Nice a déterminé que ces mêmes objets qui ont dirigé les évolutions des planètes et qui ont provoqué le LHB ont pu aussi être capturés sur les orbites des astéroïdes Troyens. Dans leurs simulations, les Troyens ainsi piégés reproduisent la distribution observée, restée jusqu’alors inexpliquée. De plus, la masse totale calculée de ces objets est en accord avec la population observée.

En conclusion, dans sa totalité, le nouveau modèle proposé par l’équipe de Nice explique pour la première fois de façon naturelle et en même temps les orbites des planètes géantes, l’existence des astéroïdes Troyens et le LHB avec une précision jusqu’alors inégalée. « Notre modèle explique tant de choses », selon Alessandro Morbidelli, « qu’il doit être relativement correct. La structure du Système Solaire externe suggère que les planètes doivent avoir subi une sorte d’ébranlement séismique tard dans son évolution. »

Image de la Lune prise avec le télescope Canada-France-Hawaii © CFHT

Notes :
(1) Cette équipe, rassemblée par un programme visiteurs de l’Observatoire de la Côte d’Azur comprend :
– Alessandro Morbidelli, laboratoire Cassiopée, Observatoire de la Côte d’Azur ;
– Rodney Gomes, Observatoire National du Brésil ;
– Harold Levison, Southwest Research Institute, USA ;
– Kleomenis Tsiganis, Observatoire de la Côte d’Azur et Université de Thessaloniki, Grèce.

Références :
Gomes, R., Levison, H.F., Tsiganis, K. and Morbidelli, A., Origin of the cataclysmic Late Heavy Bombardment period of the terrestrial planets, Nature, 26 May 2005.
Tsiganis, K., Gomes, R., Morbidelli, A. and Levison, H.F., Origin of the orbital architecture of the giant planets of the Solar System, Nature, 26 May 2005.
Morbidelli, A., Levison, H.F. Tsiganis, K. and Gomes, R., Chaotic capture of Jupiter’s Trojan asteroids in the early Solar System, Nature, 26 May 2005.