3.4 la formation des planetes
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3.4 la formation des planetes
leçon 3 DE L ’ORIGINE DU SYSTEME SOLAIRE QUELLES SONT LES INTERROGATIONS? Questions choisies: - comment s ’est formé le soleil? - comment se sont formées les planètes? - pourquoi des planètes géantes et des planètes telluriques? Plan de la leçon - 3.1 La galaxie du Soleil - 3.2 Formation de l ’étoile et du disque protoplanétaire - 3.3 Structure interne et champ magnétique du soleil actuel - 3.4 La formation des planétes - 3.5 La formation ratée d’une planète: la ceinture d’astéroïdes - 3.6 Les astéroïdes hors des planètes: les comètes - 3.7 La structure actuelle du système solaire - 3.8 Les planètes gazeuses géantes - 3.9 Les planètes telluriques 3.1 LA GALAXIE DU SOLEIL La Voie Lactée - un peu d ’histoire des sciences: - Galileo Galilei - Johannes Kepler - Isaac Newton - Pierre-Simon Laplace - quantité de mouvement et moment angulaire - la Voie Lactée et le Soleil 3.1.5 PETIT RAPPEL DE PHYSIQUE: LE MOMENT ANGULAIRE ET LA QUANTITE DE MOUVEMENT quantité de mouvement p = produit de la masse par la vitesse. Comme la vitesse, c'est une grandeur vectorielle. L'unité SI de la quantité de mouvement est le newton-seconde, c'est-à-dire kg.m.s-1 . Le moment angulaire L joue un rôle analogue à la quantité de mouvement dans le cas des rotations. Comme le moment angulaire est dépendant du choix de l'origine, il faut toujours spécifier cette origine et ne jamais combiner des moments angulaires ayant des origines différentes. La définition mathématique du moment angulaire d'une particule autour d'une certaine origine est la suivante: Jz = r×p z où Jz est le moment angulaire de la particule, r est le Jz vecteur de position de cette particule par rapport à l'origine et p est la quantité de mouvement de la p particule à cette position. Si on ignore la nature vectorielle, le moment angulaire devient alors simplement: Jz = |r||p|sinθ où θ est l'angle entre x et r mesuré de r vers p. θ x r m y Moment d ’inertie: I = mr2 donc J = Iω ω = vitesse angulaire 3.1.6 LA VOIE LACTEE ET LE SOLEIL Le Soleil est à 1.8 109 AU du centre de la Voie Lactée. Il appartient au bras d’Orion. 1 UA = distance Terre-Soleil = 1,5 1011 m Masse du disque de la galaxie: 200 109 masses solaires Masse du noyau de la galaxie: 1012 masses solaires 3.1.7 LE MOUVEMENT DU SOLEIL DANS LA VOIE LACTEE Le Soleil effectue une rotation complète dans la galaxie en 240 Ma à la vitesse de 220 km s-1. Il tourne beaucoup plus vite que les bras spiraux de la Galaxie qui font un tour complet en 500 Ma. Remarque: ce mouvement qui lui fait traverser les « bras » de la galaxie est peut-être à l’origine des changements climatiques sur Terre (site web: Svenmark). 3.2 FORMATION DE L ’ETOILE ET DU DISQUE PROTOPLANETAIRE - origine 1 de l’étoile: onde de choc dans la galaxie - origine 2 de l’étoile: onde de choc d ’une supernova - la supernova Coatlicue - étoile et disque d ’accrétion - l ’époque T-Tauri du Soleil - le vent solaire - interactions entre le disque protoplanétaire et le jeune soleil - composés réfractaires et volatils - résumé 1: structure du disque d ’accrétion - l ’évolution du disque d ’accrétion - résumé 2: la théorie de la nébuleuse solaire - le voyage de l’étoile T-Tauri dans sa galaxie 3.2.1 ORIGINE 1 DE L’ETOILE: ONDE DE CHOC DANS LA GALAXIE L ’onde de choc provoquée par la traversée du bras de la spirale provoque la condensation du nuage protosolaire 3.2.2 ORIGINE 2 DE L’ETOILE: ONDE DE CHOC D ’UNE SUPERNOVA Après le passage de l’onde choc de la Supernova, le nuage s’effondre sur lui-même pour donner naissance au système solaire. supernova onde de choc 3.2.2b LA SUPERNOVA COATLICUE Demi-vie 26Al: 1 million d'années Le Soleil est « au milieu de sa vie », ayant parcouru vingt fois le tour de notre Galaxie depuis sa naissance L'26Al des météorites proviendrait du vent d'une étoile massive née quelques millions d'années avant notre Soleil. Coatlicue (la mère du Soleil dans la cosmogonie aztèque), environ trente fois plus massive que le Soleil, est née en même temps qu'environ 2 000 autres étoiles. Elle était l'étoile la plus massive de sa génération. Elle est morte depuis dans une gigantesque explosion de supernova. Matthieu Gounelle & Georges Meynet. Astronomy & Astrophysics 545, A4 (2012) 3.2.3 ETOILE ET DISQUE D ’ACCRETION Le moment angulaire du nuage est conservé gas disks around young stars dissipate in 106 – 107 yr 3.2.4 L ’EPOQUE T-TAURI DU SOLEIL Herbig-Haro 30 Le soleil est resté au stade T-Tauri pendant 106 à 107 années. Luminosité: 103 à 104 luminosité actuelle Luminosité dans le domaine des rayons X Jet: 300 km s-1 50-100 millions d ’années avant d ’arriver sur la séquence principale (fusion de l ’hydrogène en hélium - Hans BETHE). Les planètes sont déjà formées, 3.2.5 VENT SOLAIRE ET SPALLATION Les lignes de champ magnétique se reconnectent sur elles-mêmes. L ’énergie magnétique accumulée se libère en chauffant brusquement le gaz du disque à plusieurs millions de degrés. Ce gaz en se refroidissant émet des rayons X. Il se fabrique des éléments légers (spallation) notamment le 10Be que l’on mesure dans les météorites, 3.2.6 INTERACTIONS ENTRE LE DISQUE PROTOPLANETAIRE ET LE JEUNE SOLEIL Modèle accrétion-éjection poussières éjectées CAI: calcium-aluminium inclusion Chondrules: gouttes de matière fondue poussières accrétées cavité centrale Effets des rayonnements X: réactions de spallation dont les preuves sont dans les radioactivités éteintes 3He + 24Mg → 26Al + p+ 26Al → 26Mg + e- + γ (1.8 MeV) 3.2.8 RESUME 1: STRUCTURE DU DISQUE D ’ACCRETION distance Terre-Soleil 3.2.9 L ’EVOLUTION DU DISQUE D ’ACCRETION 1 - le vent solaire chasse les composés réfractaires vers les zones froides externes 2 - en se formant, les planétésimaux absorbent comme un « aspirateur » les poussières du disque d ’accrétion 3.2.10 RESUME 2: The Nebular Theory* of Solar System Formation Interstellar Cloud (Nebula) * It is also called the ‘Protoplanet Theory’. Gravitational Collapse Protosun Protoplanetary Disk Condensation (gas to solid) Leftover Materials Metal, Rocks Accretion Gases, Ice Nebular Capture Asteroids Heating ⇒ Fusion Sun Leftover Materials Comets Terrestrial Planets Jovian Planets 3.2.11 LE VOYAGE DE L’ETOILE T-TAURI DANS SA GALAXIE 220 km s-1 Orion Proplyd Modelage externe: Photoévaporation de la Proplyd? 3.3 STRUCTURE INTERNE ET CHAMP MAGNETIQUE DU SOLEIL ACTUEL - la structure interne actuelle du soleil - équilibre hydrostatique et température - le champ magnétique actuel du soleil - taches solaires et protubérences - le vent solaire actuel 3.3.1 LA STRUCTURE INTERNE ACTUELLE DU SOLEIL Rayon: 700 000 km Température calculée par la loi de Stefan-Boltzmann: E = σ T4 soit 5780 K σ constante de Stephan-Boltzmann: 5,67 1O-8 SI 15.6 106 K Le rayonnement du Soleil: - 40% visible - 50% infrarouge - 10% ultraviolet 5800 K La constante solaire F est l ’énergie reçue à chaque seconde par 1 m2 de la surface de la Terre (1 UA; perpendiculairement; sans atmosphère): F = 1365 ± 0,5 W m-2 3.3.2 EQUILIBRE HYDROSTATIQUE ET TEMPERATURE Chromosphère: 5800 K - émet dans le visible Couronne: 15.6 106 K - émet dans les rayons X 3.3.3 LE CHAMP MAGNETIQUE ACTUEL DU SOLEIL Le champ magnétique du Soleil présente une structure spiralée due à sa rotation. Le Soleil ne tourne pas comme un corps solide: 25,4 jours à l ’équateur contre 36 aux pôles. Les lignes de forces se replient sur elles-mêmes et forment des boucles. Le champ magnétique est très fort dans les taches noires; il bloque les cellules de convection. 3.3.4 TACHES SOLAIRES ET PROTUBERENCES Gaz refroidi piégé dans les lignes de champ magnétique Le nombre de taches solaires varie avec un cycle de 11 ans. Ce cycle fut interrompu entre 1650 et 1700 (minimum de Maunder ). En France c ’est le petit âge glaciaire). 3.3.3 LE VENT SOLAIRE ACTUEL La couronne solaire est très chaude (1 à 2 millions de degrés). L ’agitation thermique est telle que les particules (protons, électrons) s ’échappent: (3kT/m)1/2 > (2GM/R)1/2 . 2 millions de tonnes par seconde sont canalisés par les lignes de champ magnétique (0,1 % de la masse du Soleil depuis 5 Ga). 3.3.4 LA LUMINOSITE DU SOLEIL DEPUIS L’EPOQUE T-TAURI Pourquoi la luminosité augmente-t-elle? H fuses to form He in the core Core becomes denser Core contracts and heats up Fusion reactions proceed faster More energy is produced ⇒ more energy needs to be emitted D’après D.O. Gough, Solar Phys. (1981) 3.4 LA FORMATION DES PLANETES - la séquence de condensation - l ’origine de l ’eau dans le système solaire - planétésimaux rocheux et glaces: la ligne de gel - les mécanismes de l ’accrétion 1: attractions non gravitaires - les mécanismes de l’accréation 2: attractions gravitaires - l’emballement gravitationnel - la formation de Jupiter age of solar system is 4.567 ± 0.02 × 109 yr 3.4.1 LA SEQUENCE DE CONDENSATION La flèche symbolise un refroidissement adiabatique Refroidissement adiabatique: pas d ’échange de chaleur avec l ’extérieur du système Poussière cosmique environ 10 µm 3.4.2 L ’ORIGINE DE L’EAU DANS LE SYSTEME SOLAIRE Nouvelle définition de l'Unité Astronomique : 149 597 870 700 mètres exactement Variation du rapport D/H de la glace calculé en fonction de la distance au Soleil ou de son équivalent: le temps Le rapport D/H initial de la glace du milieu interstellaire froid est identique à celui de la chondrite Semarkona. A mesure que la nébuleuse se refroidit, la transition gaz→ solide se produit de plus en plus près du Soleil. Le rapport D/H de la Terre ne correspond pas à sa distance (1 UA). La glace a donc été apportée de zones plus froides: l’eau terrestre est apportée par chondrites et comètes. Chondrite Semarkona Courbe de condensation de la nébuleuse f=6 3.4.3 PLANETESIMAUX ROCHEUX ET GLACES: la ligne de gel Les planètes formées à partir des planétésimaux condensés près du soleil sont rocheuses alors que celle formées loin de lui sont riches en gaz et en glaces. 3.4.4a LES MECANISMES DE L ’ACCRETION 1: attractions non gravitaires force électro-statique et force de Van der Waals Planetary embryos embedded in a gas disc suffer a decay in semi-major axis because of the asymmetric torques produced by the interior and exterior pressure wakes raised by the body in the gas. 3.4.4b LES MECANISMES DE L ’ACCRETION 2: attractions gravitaires Au sein d’une nébuleuse jeune riche en gaz et poussières avec une étoile jeune en son centre, les planétésimaux sont métriques à hectométriques. Clumps larger than ~ 1 km will begin to affect each other gravitationally, increasing interaction and accelerating the growth of clumps. This is most likely to happen where solid clumps have accumulated just outside the “snow-line”. Solid clumps with masses exceeding ~ 10 Earth’s are capable of accreting gas and experience runaway growth and rapidly clear an annulus ring in the planetary disk of dust and gas. 3.4.5 L’EMBALLEMENT GRAVITATIONNEL Plus tard dans l’histoire de la nébuleuse et rapidement, en 105 ans: - moins de gaz et de poussières. - planétésimaux moins nombreux et plus gros; accrétion dominée par la gravité - leur taille varie du kilométre à des centaines de kilomètres. Fg = G mM/R2 G: constante universelle de gravitation 6.67 10-11 N m2 kg-2 3.4.6 ATTRACTION GRAVITAIRE DES PLANETESIMAUX: la formation des planètes Plusieurs petites planètes sur l’orbite de la Terre À la fin de l’accrétion, les planétésimaux ont formé des planètes de taille comprise entre des centaines et des milliers de km de diamètre. Les impacts jouent un rôle important dans la croissance des planètes et même … pour l’origine de la Lune. 3.4.7 LA FORMATION DE JUPITER 1 Jupiter mass (MJ) = 0.001 M = 318 Earth masses (MT) Arrêt de croissance appauvrissement du disque Emballement de l ’accrétion 10-15 MT Accrétion rapide de gaz 318 MT Jupiter Effondrement de l’atmosphère sur elle-même 20-30MT masse totale masse du cœur solide masse de l’atmosphère gazeuse La plus grosse planète du système solaire: une étoile avortée? 3.5 LA FORMATION RATEE D’UNE PLANETE: LA CEINTURE D’ASTEROIDES - les astéroïdes entre Mars et Jupiter - les différents types d’astéroïdes - la sonde NEAR se pose sur EROS un astéroïde de type S - les planétésimaux différenciés - l’organisation originelle de ceinture d’astéroïdes - découverte de comètes dormantes dans la ceinture d’astéroïdes - nouveau modèle de formation du système solaire (modèle de Nice) 3.5.1 LES ASTEROIDES ENTRE MARS ET JUPITER 5 AU Vue en coupe ⊥ de la ceinture d’astéroïdes 3.5.2 LES DIFFERENTS TYPES D’ASTEROIDES S-types, silicate rich, rocky, near Mars (75%) C-P-D-types, carbon rich, lower density, further out (15%) M-types, metal rich, various distances (10%) 3.5.3 LES PLANETESIMAUX DIFFERENCIES • • • Irons represent two-thirds of the unique parent bodies represented in our meteorite collection. They sample the cores of small differentiated asteroids (D < 200 km) and are ~12 My older than chondrules. Collisions of some form are needed to extract core material from their parent bodies. – This should produce mantle (olivine) and crust (basaltic) fragments. From Willian Bottke, Southwestern Research Institute, Boulder, Colorado, USA 3.5.4 L’ORGANISATION ORIGINELLE DE LA CEINTURE D’ASTEROIDES “Early” Main Belt Carbonaceous chondrites Ordinary chondrite S C P Semimajor axis (AU) • The early main belt was stratified into more heated (S, C) and more primitive (C, D/P) taxonomic groups. From Willian Bottke, Southwestern Research Institute, Boulder, Colorado, USA 3.5.5 DECOUVERTE DE COMETES DORMANTES DANS LA CEINTURE D’ASTEROIDES P/D-type asteroids are low albedo objects with flat-tored featureless spectra. They are similar to dormant comets M Levison et al., Nature, Vol 460| 16 July 2009| 3.5.6 NOUVEAU MODELE DE FORMATION DU SYSTEME SOLAIRE (MODELE DE NICE) Comets • Old view. Gas giants/comets formed near present locations (5-30 AU) and reached current orbits ~4.5 Gy ago. Primordial disk of comets • New view. Gas giants formed in more compact formation between 515 AU. Massive comet population of ~35 Earth masses existed between 16-30 AU. Nous reviendrons sur le changement d’orbites des planètes dans les leçons 4 et 6 3.6 LES ASTEROIDES HORS DES PLANETES: LES COMETES - La migration des planètes gazeuses - Les planétésimaux glacés: la ceinture de Kuiper - Pluton-Charon: le problème - Planètes naines et transneptuniens - Les confins du système solaire 3.6.1 LA MIGRATION DES PLANETES GAZEUSES Asteroid Belt Comet Disk • As the planets migrated, so did their resonances. • Many asteroids (~90%) and most comets were lost by planetary interactions and sweeping resonances. Gomes, Icarus 2003; Levison & Morbidelli, Nature 2003) 3.6.3 PLUTON-CHARON: LE PROBLEME - orbite faisant un angle de 17° sur le plan de l ’écliptique - le couple Pluton-Charon est peut-être dû à un choc de planétoïdes - ces corps astraux sont peut-être des éléments de la ceinture de Kuiper Un choc similaire sera à l ’origine de la Lune: modélisation du choc Mission PLUTO janvier 2006 3.6.4 PLANETES NAINES ET TRANSNEPTUNIENS Le plus distant (76-943 UA, P=11500 ans); actuellement à 90 UA L’un des plus rouges L’un des plus gros (taille de Charon?) Sans interaction avec Neptune! Origne: passage de l’étoile qui a tronqué le disque? Triton (capture d’un transneptunien par … Neptune) Pluton Quaoar 2300 km 1200 km Lune 3500 km Terre 12800 km 3.6.5 LES CONFINS DU SYSTEME SOLAIRE: ceinture de Kuiper et nuage de van Oort Les cométes stockées dans la ceinture de Kuiper et dans le nuage de van Oort sont les résidus de la nébuleuse protoplanétaire. Elles représentent donc le matériau le plus primitif du système solaire (voir Leçon 4). • • Oort cloud: – ~1012 comets of 1 km or larger – radii >104 AU – approximately spherical – source of long-period comets (P > 200 yr) – short-period comets (200 yr > P > 20 yr) Kuiper belt – ~109 comets – radii > 35 AU – flattened disk – source of Jupiter-family comets (P < 20 yr) 3.7 STRUCTURE ACTUELLE DU SYSTEME SOLAIRE - masse et composition chimique des planètes du système solaire - les lois de Kepler: 1ere loi - les lois de Kepler: 2eme loi - les lois de Kepler: 3eme loi - la structure du système solaire - les confins du système solaire: ceinture de Kuiper et nuage de van Oort - et si les planètes avaient changé d’orbite! 3.7.1 LE SYSTEME SOLAIRE planets account for < 0.2% of mass of solar system but > 98% of angular momentum planetary orbital angular momentum is close to direction of Sun’s spin angular momentum (within 7o) 3.7.2 LES LOIS DE KEPLER: 1ere LOI a b l’orbite d’une planète ou comète autour du soleil est une ellipse dont le centre de masse du soleil est l’un des foyers. L’équation d’une ellipse est: 3.7.3 LES LOIS DE KEPLER: 2eme LOI Une ligne joignant la planète ou comète au soleil couvre des surfaces égales pour des intervalles de temps égaux. La planète ou comète va donc plus vite dans la portion d’ellipse proche du soleil (périhélie) 3.7.4 LES LOIS DE KEPLER: 3eme LOI le carré de la période des planètes est proportionnel au cube du demi-grand axe de leur orbite Planet P (yr) a (AU) T2 R3 Mercury 0.24 0.39 0.06 0.06 Venus 0.62 0.72 0.39 0.37 Earth 1.00 1.00 1.00 1.00 Mars 1.88 1.52 3.53 3.51 Jupiter 11.9 5.20 142 141 Saturn 29.5 9.54 870 868 3.7.5 LE SYSTEME SOLAIRE KEPLERIEN – 1 – la révolution 1 UA = distance Terre-Soleil = 1,5 1011 m 3.7.6 LE SYSTEME SOLAIRE KEPLERIEN – 1 – la vitesse orbitale 3.7.7 LA STRUCTURE COMPLETE DU SYSTEME SOLAIRE 1 UA = distance Terre-Soleil = 1,5 1011 m 3.8 LES PLANETES GAZEUSES GEANTES - La structure interne des géantes gazeuses - Jupiter et ses satellites - Saturne (la mission Voyager) - la structure des anneaux de Saturne - Neptune et Uranus - pluton-charon: le problème 3.8.1 LA STRUCTURE INTERNE DES GEANTES GAZEUSES atmosphère gazeuse hydrogène moléculaire liquide hydrogène métallique liquide eau, méthane, ammoniaque liquides noyau rocheux 3.8.2 JUPITER ET SES SATELLITES missions Pioneer 11 et 12 Voyager 1 et 2 Galileo 1995-2003 Rotation rate is about 10 hours Differential rotation (different parts rotate at different rates) Produces turbulence, and storms 60 moons A storm that has been going on for nearly 400 years 2-3 x size of the Earth LA MISSION CASSINI-HUYGENS SUR SATURNE ET TITAN - janvier 2005 Océan d ’hydrocarbures 3.9 LES PLANETES TELLURIQUES - Mercure (mission Mariner) - Venus (missions Vega, Magellan) - Mars (Spirit, Opportunity, Mars Express, Curiosity) - la structure interne des planètes telluriques - petite chronologie de la formation des planètes 3.9.1 MERCURE (mission Mariner) - Pas d ’atmosphère - température jour: 700 K - température nuit: 100 K - Noyau proportionnellement plus important que celui de la Terre - Surface entièrement cratérisée Comme la Terre, Mercure a subi un impact gigantesque mais axial et non tangentiel. Une grande partie du manteau arraché a été perdue d ’où l ’importance relative du noyau 3.9.2 MERCURE (mission Messenger) Novembre 2012: Cartograhie de Messenger combinée aux observations Arecibo. De la glace d’eau (jaune) dans les crères d’impact météoritiques situés dans la zone à l’ombre du Soleil (rouge). L’eau est apportée par des astéroïdes. 3.9.2 VENUS (mission Magellan) L ’atmosphère de Venus 96% CO2 3,5% N2 3.9.3 VENUS (missions Venera 1976, Pioneer 1978, Magellan 1990-94) Reconstitution 3D de la surface de Venus Volcan Petal à la surface de Venus - pas de tectonique des plaques - cratères d ’impact plus visibles que sur Terre - grands édifices volcaniques 3.9.4 MARS (nombreuses missions) Atmosphère: 95% CO2 2,7% N2 1,6% Ar 0,015% O2 Est-ce un ruissellement d ’eau? Volcans boucliers Rift: Valles Marineris 1 seule plaque tectonique L ’énorme Olympus Mons Diamètre: 500 km Hauteur: 27 km 3.9.6 LA STRUCTURE INTERNE DES PLANETES TELLURIQUES Les planètes telluriques 3.9.7 RESUME : LES ETAPES DE LA FORMATION DU SYSTEME SOLAIRE Allumage de la réaction nucléaire H → He: 107-8 yr Séquence principale 3.9.8 PETITE CHRONOLOGIE DE LA FORMATION DES PLANETES EVENEMENTS AGE Sédimentation des poussières du disque Formation des planétésimaux (taille ≤ 10 km) Planétésimaux de 50 à 500 km Emballement de l ’accrétion, embryon de Jupiter Formation d ’une trentaine de protoplanètes dans la zone des planètes telluriques (taille de la Lune à Mars) Emballement de l ’accrétion, embryon de Saturne Fin de la dissipation du gaz nébulaire Emballement de l ’accrétion, embryon d ’Uranus Emballement de l ’accrétion, embryon de Neptune Accrétion à 99% de la Terre Bombardement cométaire de la Terre terminé à 99% 0 ans 10 000 ans 100 000 ans 1000 000 ans 1000 000 ans 2000 000 ans 5000 000 ans 7000 000 ans 14000 000 ans 40000 000 ans 1 milliard ans 4.57 Ga La prochaine leçon: COMETES ET METEORITES, LES MATERIAUX DES PLANETES