Les planètes, ces grandes migratrices

Dès la découverte de la première exoplanète, il est apparu que les planètes migrent, parfois sur de grandes distances, à l’intérieur des systèmes solaires. Le défi consiste depuis à modéliser ce phénomène

Il n’est pas certain que Jupiter et Saturne aient occupé la même place dans le système solaire depuis leur naissance. Certains chercheurs ont même imaginé, dans un article paru dans la revue Nature en 2011, que ces deux géantes gazeuses ont, dans le passé, visité l’orbite de Mars avant de regagner des régions plus éloignées, là où elles évoluent actuellement. Ce voyage a été baptisé «Grand Tack», un terme tiré de la voile désignant un demi-tour effectué par un bateau après avoir contourné une bouée.

Cette hypothèse ne surprend pas Willy Benz, professeur à l’Institut de physique de l’Université de Berne et directeur du Pôle de recherche national PlanetS. Le chercheur a même cherché à vérifier si un tel scénario était compatible avec les modèles de formation des systèmes planétaires qu’il met au point avec son groupe. Et les premiers résultats indiquent que la réponse est probablement affirmative.

Petite Mars «L’idée de cette migration de Jupiter et Saturne est apparue pour tenter d’expliquer pourquoi Mars est si petite par rapport à la Terre et à Vénus, explique-t-il. La masse de la planète rouge vaut en effet un dixième de celle de la planète bleue. Et il n’y a, a priori, aucune raison que ce soit le cas. Dans le disque de poussière original, la quantité de matière à disposition pour la formation de ces trois planètes telluriques devait être grosso modo la même. En revanche, si Jupiter et Saturne avaient séjourné dans la région au cours des tout premiers temps du système solaire, ces géantes gazeuses déjà bien formées auraient pu avaler ou éjecter une grande partie de la matière destinée à Mars avant de repartir dans les régions plus excentriques du système solaire. Par ailleurs, ce voyage de Jupiter et de Saturne aurait peut-être aussi créé une perturbation suffisante pour empêcher la ceinture d’astéroïdes de se concentrer en une planète.»

Que des chercheurs proposent aujourd’hui des scénarios dans lesquels des géantes gazeuses se baladent aussi librement à l’intérieur d’un système solaire est un des résultats les plus importants de la découverte des exoplanètes. Dès la publication de la première d’entre elles, il est devenu clair que la théorie traditionnelle selon laquelle les planètes évoluent plus ou moins sur l’orbite qui les a vu naître était insuffisante.

Découverte en 1995 par les astrophysiciens Michel Mayor et Didier Queloz, 51Peg b tourne en effet autour de son étoile en un peu plus de 4 jours, à une distance cent fois plus petite que celle qui sépare Jupiter du Soleil. Le problème, c’est qu’il s’agit d’une géante gazeuse ayant la moitié de la masse de Jupiter. Et les planètes de ce genre naissent à une grande distance de l’étoile, là où l’accrétion de poussières et de glace est possible.

Dès lors, la seule explication possible à la présence d’une géante gazeuse aussi proche de son étoile est qu’elle a changé d’orbite entre sa naissance et son observation. Le concept de migration planétaire s’est alors imposé et est aujourd’hui largement accepté par les astronomes. Il est expliqué par l’interaction gravitationnelle existant entre la planète en formation et le disque de gaz et de poussières dans lequel elle évolue au cours des premiers millions d’années du système planétaire.

Frein à la migration «La modélisation de ce phénomène a posé des problèmes au début, explique Willy Benz. Dans toutes nos simulations, l’étoile finissait systématiquement par avaler la planète. Nous en avons conclu qu’il doit exister un mécanisme qui freine cette migration. Et en faisant l’étude plus détaillée des interactions entre la planète et le disque de gaz, des chercheurs ont découvert certains effets subtils qui n’attirent pas la planète vers l’intérieur mais la poussent vers l’extérieur.»

En plus du disque de gaz primordial, les astronomes tiennent également compte dans leurs modèles d’autres inter­actions, comme celles qui s’exercent entre les planètes d’un même système (s’il y en a plusieurs) et qui peuvent, entre autres, influencer l’excentricité de leurs orbites. Ils intègrent aussi dans leurs simulations l’influence de l’étoile sur la planète, la première pouvant par exemple évaporer l’enveloppe gazeuse de la seconde si elle se rapproche trop.

A l’aide de ces modèles, l’équipe de Willy Benz tente de produire des simulations qui débouchent sur des résultats similaires aux observations des astronomes. Plus précisément, les chercheurs bernois imaginent des conditions de départ, choisissent les différents paramètres et font chauffer les ordinateurs autant de fois qu’il le faut pour que les modèles reflètent au mieux la réalité. Chaque scénario fait partir l’embryon de planète d’une distance différente de l’étoile et la fait grandir au fur et à mesure qu’il agglomère de la matière sur son trajet. La nature de cette matière varie en fonction de la distance à l’astre, une distance qui change à cause de la migration et qui détermine ainsi la composition et la structure finale du corps céleste. Pour chaque résultat final, il existe une probabilité, liée au nombre de scénarios qui y mènent.

Ainsi, lorsque les astronomes parviennent à obtenir la masse, la densité et l’orbite d’une vraie exoplanète, ils peuvent déduire de leur modèle quelles sont les chances qu’elle soit formée d’un noyau de fer entouré d’une enveloppe de gaz ou plutôt d’un noyau de roche sous un manteau de glace.