Les scientifiques continuent d'étudier le système solaire, et cela semble très intéressant. Par exemple, les orbites planétaires modernes abritent des indices qui révèlent les conditions difficiles de l'origine du système solaire - et, peut-être, l'existence d'un géant interstellaire qui s'est égaré il y a longtemps. Notre système solaire est comme une scène de crime qui s'est déroulée il y a 4,6 milliards d'années.
Les orbites modernes abritent des indices qui révèlent les conditions difficiles de l'origine du système solaire - et peut-être l'existence d'un géant interstellaire qui s'est égaré il y a longtemps.
Notre système solaire est comme une scène de crime qui s'est déroulée il y a 4,6 milliards d'années.
Les surfaces parsemées de cratères, d'orbites planétaires déplacées et de nuages de débris interplanétaires sont des analogues cosmiques d'éclaboussures de sang sur le mur et de traces de dérapage d'une voiture partant à sa poursuite. Ces indices et d'autres racontent les origines chaotiques de notre famille planétaire.
Parmi ces empreintes se cachent des indices sur un frère perdu, la planète 9 (non, pas Pluton), jeté dans le bras de fer gravitationnel qui a accompagné la formation originale du système solaire.
De nos jours, quatre énormes planètes dominent la périphérie du système solaire: Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Derrière eux se trouve la ceinture de Kuiper - un champ d'éclats de glace, parmi lesquels se trouve Pluton.
«Ne pensez pas que la périphérie du système solaire a toujours été la même qu'aujourd'hui», déclare David Nesvorny, spécialiste des planètes au Southwest Research Institute de Boulder, au Colorado, qui s'est prononcé pour la première fois en faveur de la planète en fuite en 2011. an.
Nesvorni est membre d'un groupe de scientifiques qui tentent de comprendre comment le système solaire a évolué au cours des premiers centaines de millions d'années de son existence. À l'aide de modèles informatiques sophistiqués, les chercheurs ont compilé une chronologie des collisions entre des planètes nouveau-nées qui se sont produites relativement près les unes des autres - elles ont alternativement plané et sauté d'une orbite à l'autre. Ces modèles ont révélé de nombreux petits détails sur la façon dont les planètes, les astéroïdes et les comètes tournent autour du soleil aujourd'hui.
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Il n'y avait qu'un seul problème. En règle générale, les scénarios simulés se terminaient par l'expulsion d'Uranus ou de Neptune du système solaire, comme Nesvorny l'a écrit en septembre dans la Revue annuelle d'astronomie et d'astrophysique.
Puisqu'en réalité, Uranus et Neptune restent à leur place - des vaisseaux spatiaux les ont tous deux visités - quelque chose dans ces scénarios n'a pas fonctionné. Cependant, comme de nombreux chercheurs le soupçonnent, un acteur clé de ce mystère et un chaînon manquant dans l'histoire du système solaire pourrait bien être la cinquième planète géante.
Planète perdue
Les astronomes s'appuient sur des modèles informatiques pour recréer ces scènes anciennes, créant des milliers de systèmes solaires différents de milliers de manières différentes. Ils traduisent les lois de la physique et toutes les positions planétaires initiales auxquelles ils peuvent penser en code de programme. Le chercheur définit les paramètres - une planète ici, un tas d'astéroïdes là-bas - puis se penche en arrière sur sa chaise et laisse l'environnement simulé faire tout le travail à sa place. Après quelques semaines en temps réel - des millions d'années dans le modèle - l'astronome vérifie les résultats pour voir ce qui est arrivé au système solaire. Plus il est proche de la réalité, plus le modèle réussit.
C'est ce qu'a fait Nesvorni en 2009. Il s'est plongé dans les systèmes solaires virtuels pour tenter de sauver Uranus virtuel et Neptune virtuel de leurs chemins virtuels dans l'espace lointain.
Le problème était Jupiter, une planète hooligan géante dont la gravité peut atteindre assez loin pour être poussée par des planètes plus petites et divers débris. Dans la simulation la plus réussie à ce jour, Jupiter et l'une des deux planètes extérieures ont rebondi l'une sur l'autre et se sont finalement installées sur leurs orbites actuelles. Mais cela ne s'est produit que dans un pour cent de tous les modèles. Dans les 99% des cas restants, Jupiter a lancé Uranus ou Neptune si fort qu'ils ont quitté le système solaire et n'y sont jamais revenus.
«Cela a rendu la situation très mystérieuse, car nous savions qu'Uranus et Neptune continuaient à exister sous leur forme actuelle», dit Nesvorni. Il a donc continué à expérimenter. Après un an de simulation d'innombrables scénarios différents, il a commencé à penser à ajouter des planètes martyres - des planètes supplémentaires sacrifiées pour sauver le reste.
«J'ai juste simulé leur existence pour voir ce qui s'était passé, et non parce que j'étais sérieux au sujet de l'idée elle-même», dit Nesvorni. "Mais ensuite j'ai réalisé qu'il pouvait y avoir un grain raisonnable dedans." Il a exécuté environ 10 000 scénarios, modifiant le nombre de planètes supplémentaires, leur emplacement d'origine et la masse de chacune d'elles.
La meilleure option, qui prédisait le plus précisément l'état actuel de notre système solaire, s'est avérée être celle dans laquelle la planète supplémentaire était située entre les orbites d'origine de Saturne et d'Uranus. En termes de masse, la planète était à peu près égale à Uranus et Neptune, et était presque 16 fois plus grande que la Terre. C'est une telle planète qui pourrait entrer en collision avec l'orbite de Jupiter et voler hors du système solaire.
Le graphique montre comment la distance entre les planètes et le soleil a changé au fil du temps. Les premiers millions d'années dans le modèle informatique, les orbites ont changé lentement, puis il y a eu un contact étroit entre Saturne (vert) et une planète supplémentaire (violet), ce qui a conduit à la déstabilisation des orbites. Les lignes pointillées indiquent les tailles actuelles des orbites. (Source: extrait de documents de D. Nesvorny / section d'astronomie et d'astrophysique du magazine Knowable, 2018.)
Les chances sont encore minces. Dans les modèles ultérieurs, cet alignement s'est soldé par un succès dans environ cinq pour cent du temps. «L'existence du système solaire dans sa forme actuelle n'est ni typique ni prévisible», notait Nesvorny en 2012 dans un article co-écrit avec son collègue Alessandro Morbidelli de l'Observatoire de la Côte d'Azur. Malgré cela, le modèle était une amélioration significative par rapport au taux de réussite de 1% pour les modèles qui n'incluaient que les quatre planètes géantes que nous connaissons et aimons aujourd'hui.
«En supposant une cinquième planète, il est beaucoup plus facile d'expliquer ce qui se passe», déclare Sean Raymond, planétologue à l'Université de Bordeaux en France. Et bien que les preuves soient principalement circonstancielles, "il est beaucoup plus logique de supposer qu'il y avait alors aussi une cinquième planète".
Cela peut sembler une hypothèse très controversée. Comment les astronomes peuvent-ils savoir quoi que ce soit sur ce qui s'est passé il y a quatre milliards d'années, même avec les planètes que nous pouvons observer maintenant, sans parler de celles dont nous ne savons rien? Cependant, il s'avère que les planètes ont laissé de nombreuses cicatrices de combat de la jeunesse comme preuve pour les détectives du futur.
Éclaboussure de sang interplanétaire
«Nous sommes plus que convaincus que les planètes ne sont pas originaires de l'endroit où elles se trouvent aujourd'hui», a déclaré Nathan Keib, spécialiste des planètes à l'Université de l'Oklahoma à Norman.
Cependant, cette prise de conscience s'est produite assez récemment. Pendant la majeure partie de l'histoire, les astrologues n'ont eu aucun doute sur le fait que les planètes ont toujours été sur leurs orbites actuelles. Mais au début des années 1990, les chercheurs ont réalisé qu'il manquait quelque chose à un tel modèle.
Neptune et Triton.
Juste au-delà de l'orbite de Neptune se trouve la ceinture de Kuiper, une dispersion de débris de glace qui encercle le soleil. «C'est notre éclaboussure de sang sur le mur», déclare Konstantin Batygin, spécialiste des planètes au California Institute of Technology.
L'emplacement des objets de la ceinture de Kuiper a conduit les chercheurs à la conclusion inévitable: Neptune aurait dû se former beaucoup plus près du Soleil que son emplacement actuel ne le suggère. De nombreux objets de la ceinture de Kuiper s'agglutinent en orbites concentriques qui ressemblent vaguement à des rainures sur un disque musical. Ces orbites ne sont guère aléatoires - elles sont directement liées à Neptune.
Par exemple, Pluton est l'habitant le plus célèbre de la ceinture de Kuiper. Lui et quelques centaines de ses compagnons de voyage que nous connaissons font exactement deux révolutions autour du Soleil dans les trois que Neptune fait pendant la même période. D'autres flux de débris dans la ceinture font une révolution complète pour tous les deux que Neptune accomplit - ou plutôt quatre pour tous les sept.
La ceinture de Kuiper ne pouvait pas être construite de cette façon sans influence extérieure. Cependant, si nous supposons que Neptune s'est levé plus près du Soleil puis s'est déplacé vers l'extérieur, sa force gravitationnelle serait assez forte pour attraper les débris interplanétaires dans ses filets et les envoyer sur ces orbites inhabituelles.
Ce modèle montre comment la disposition rapprochée des planètes extérieures (image de gauche) peut changer avec le temps. Les orbites de Jupiter et de Saturne convergent (image centrale), ce qui entraîne un changement de toutes les autres orbites. Plus précisément dans ce modèle, Uranus et Neptune sont échangés. Quelque temps plus tard, (image à droite) des débris spatiaux sont dispersés - certains d'entre eux se déposent dans la ceinture de Kuiper, tandis que les planètes commencent à se déplacer vers leurs orbites actuelles. (Source: adapté d'Astromark / Wikimedia Commons.)
Cela coïncidait avec les prédictions de certains modèles obtenus une décennie plus tôt.
La formation des planètes a laissé un désordre de débris dispersés dans tout le système solaire. Tout fragment qui se rapprocherait trop de Neptune tomberait inévitablement sous l'influence de sa gravité. Puisque chaque action est suivie d'une force égale d'opposition, chaque fois que Neptune a poussé l'éclat, il s'est lui-même déplacé dans la direction opposée. Lentement mais sûrement, Neptune s'est éloigné du soleil.
Le processus de migration de Neptune s'applique également à d'autres planètes géantes. Après tout, Jupiter, Saturne et Uranus ont traversé le même champ de débris et ont traité des interactions gravitationnelles similaires. Et si Neptune a déménagé dans un nouvel endroit, la même chose aurait dû se produire avec toutes les autres planètes géantes.
Et ce processus n'était clairement pas sans heurts.
Des collisions incessantes avec tous ces débris auraient dû transformer les orbites des planètes géantes en cercles fins et parfaits - tout comme l'argile sur un tour de potier est lissée par la main ferme d'un potier. Cependant, les orbites se sont avérées très différentes. Au lieu de cela, les planètes géantes se déplacent sur des orbites légèrement allongées et déformées. Comme si quelqu'un frappait une roue, remodelant les pots une fois ronds.
Jupiter bondissant
En 2005, les chercheurs avaient identifié le coupable. Les nouveaux modèles suggèrent qu'à un moment donné, les planètes géantes sont passées par ce que les scientifiques appellent une «instabilité dynamique». En d'autres termes, pendant environ un million d'années, tout s'est transformé en un tourbillon fou. La raison la plus probable à cela semblait être une série de collisions entre Saturne et Uranus, ou Neptune - c'est-à-dire l'un des géants des glaces - qui ont envoyé l'un d'eux directement vers Jupiter. Dès que la planète perdue s'est approchée, sa gravité a attiré Jupiter, la ralentissant et la poussant dans une orbite plus étroite. Cependant, Jupiter a tiré la planète envahissante avec pas moins de force. Le géant de glace, étant beaucoup plus léger, a accéléré beaucoup plus que Jupiter a ralenti et s'est éloigné du soleil.
Un tel incident serait un pogrom gravitationnel pour le système solaire. Jupiter a sauté plus profondément vers l'intérieur, tandis que le reste des planètes extérieures a sauté vers l'extérieur. Une telle poussée plierait les orbites des planètes géantes dans leur état actuel. En outre, cela sauverait le système solaire interne - Mercure, Vénus, Terre, Mars et la ceinture d'astéroïdes - de la gravité de Jupiter et de Saturne, ce qui était un autre problème dans les premiers modèles.
Ce qui nous amène à la suppression d'Uranus ou de Neptune du système. C'est à ce stade de la simulation que Jupiter jette le plus souvent l'une des géantes de glace.
C'est le problème même que Nesvorny a essayé de résoudre sans tout casser dans les simulations qui ont fonctionné. Le géant de glace supplémentaire prend le poids du coup de Jupiter, donnant au reste du scénario la possibilité de se dérouler sans entrave.
«C'est tout à fait plausible», dit Batygin. "Ce n'est pas du tout un fait qu'il y ait toujours eu exactement deux géants de glace au lieu de trois." Au contraire, dit-il, certains calculs permettent l'existence originelle de jusqu'à cinq planètes ressemblant à Neptune.
Batygin et ses collègues ont enquêté sur cette question en parallèle avec Nesvorni, bien que pour des raisons différentes. «Je voulais démontrer qu'il ne pouvait y avoir de planète géante supplémentaire», déclare Nesvorni.
La grande tache rouge de Jupiter. Photo prise par Voyager 1.
Il a estimé qu'en sortant du système solaire, cette planète putative devait avoir laissé une trace ici et là dans la ceinture de Kuiper, dans une zone connue sous le nom de «ceinture classique froide». Si la ceinture de Kuiper était un beignet, poursuit Batygin, la ceinture classique froide deviendrait sa garniture au chocolat - un groupe d'objets dont les orbites sont situées pratiquement dans le même plan dans la ceinture de Kuiper. Une planète qui passe aurait dû perturber ces orbites - du moins, croyaient Batygin et ses collègues.
Leurs modèles informatiques ont montré que rien de tel ne s'était produit. À leur grande surprise, la planète exilée n'aurait pas détruit la ceinture classique froide en sortant. Cela ne prouve pas l'existence de la planète - le résultat obtenu indique seulement que le système solaire pourrait exister sous sa forme actuelle, avec et sans elle. Cette planète aurait-elle pu laisser une empreinte plus claire? Ou, pour revenir à l'analogie de la scène de crime, y a-t-il des traces de dérapage? Nesvorni pense que de telles traces pourraient bien subsister.
Cœur de vérité
Il y a une autre partie de la ceinture de Kuiper - un étroit courant de débris glacés appelé noyau, dont les orbites ne correspondent pas à la position actuelle de Neptune. Son origine est un mystère. En 2015, Nesvorni a fait valoir que, peut-être, la raison de tout pourrait être le mouvement de Neptune du Soleil, provoqué par une planète révolue.
Alors que Neptune se déplaçait dans son orbite finale et balayait les débris sur des orbites cohérentes avec la sienne, à un moment donné, il pourrait être exposé qui a libéré suffisamment de ces débris pour former son propre courant.
Des modèles ont montré que le même impact gravitationnel qui pourrait faire sauter Jupiter d'orbite en orbite et pousser la planète supplémentaire hors du système solaire aurait pu se produire au bon moment pour pousser Neptune également.
«Le résultat est quelque chose comme un noyau», déclare Nesvorni. "C'est une preuve circonstancielle … ce n'est pas concluant."
En vérité, nous ne saurons jamais avec certitude ce qui s'est passé dans le système solaire lors de sa formation. «Nous ne pouvons pas écrire la Bible du système solaire», dit Batygin. "Nous ne pouvons parler de ces événements qu'en termes très généraux."
Si l'un des habitants du système solaire est effectivement expulsé de ses frontières, il est en bonne compagnie. Ces dernières années, les astronomes ont trouvé plusieurs planètes voyous dérivant entre les étoiles, qui, très probablement, ont également été jetées hors de leurs maisons. En projetant les résultats de cette découverte sur le reste de la galaxie, «il y a beaucoup plus de planètes en vol libre de la taille de Jupiter que d'étoiles», dit Nesvorni.
Cela peut être une exagération - selon des estimations récentes, il n'y a qu'une seule planète semblable à Jupiter pour quatre étoiles - mais il s'agit toujours de milliards de mondes errants. Et ce ne sont que ceux dont la taille est comparable à Jupiter. Notre paria était probablement plus petit - de la taille de Neptune; et nous n'avons aucune idée du nombre de ces corps errant dans la galaxie. Mais nous savons que l'Univers a tendance à privilégier les petits corps aux grands.
«Je parie qu'il y en a beaucoup», dit Nesvorni. Entre autres choses, les astronomes ont découvert des milliers de systèmes stellaires dans la Voie lactée, et beaucoup d'entre eux montrent des signes de collisions à une échelle beaucoup plus grande que celle discutée ci-dessus. «C'est incroyable», dit Nesvorni, «à quel point le système solaire est resté ordonné».
Christopher Crockett
