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Le système solaire
Introduction
Le Système solaire s’est formé relativement rapidement à l’échelle cosmique, en quelques millions d’années seulement, alors que l’Univers est âgé d’environ 13,8 milliards d’années (Planck Collaboration, 2020)
Il y a environ 4,667 milliards d’années, au sein de la Voie lactée, une étoile massive termine son cycle par une supernova (Boss, 1997). Cette explosion libère une énergie colossale, projetant dans l’espace interstellaire des gaz, des poussières et des éléments lourds issus de la nucléosynthèse stellaire. Les températures atteignent plusieurs millions de kelvins, vaporisant la matière en plasma.
La supernova génère une onde de choc qui se propage dans le milieu interstellaire. Cette onde comprime les régions voisines du nuage de gaz, augmentant leur densité et déclenchant une instabilité gravitationnelle : lorsque la masse d’une région dépasse la limite de Jeans, la gravité l’emporte sur la pression interne, et le nuage commence à s’effondrer. Ce processus marque la naissance d’une nébuleuse proto-solaire, dominée par hydrogène et hélium, enrichie en oxygène, carbone, silicium et autres éléments lourds.
Sous l’effet de la gravité et de la conservation du moment cinétique, le nuage s’aplatit en disque protoplanétaire, où la matière s’organise. Les zones centrales, plus chaudes, atteignent des millions de kelvins, amorçant la fusion nucléaire dans la protoétoile, tandis que les régions périphériques, plus froides (quelques dizaines de kelvins), favorisent la condensation des glaces et des silicates, donnant naissance aux planétésimaux et, plus tard, aux planètes.
Cet enchaînement illustre le rôle des supernovas dans le cycle cosmique : elles recyclent la matière et déclenchent la formation de nouvelles générations d’étoiles et de systèmes planétaires.
Processus de Bethe-Weizsäcker
... après quelques millions d’années, la gravité provoque l’effondrement du nuage de gaz et de poussières, entraînant les particules dans un mouvement de rotation qui conduit à la formation d’une protoétoile : le futur Soleil. Au centre, la température atteint progressivement plusieurs millions de kelvins, condition nécessaire pour amorcer les réactions de fusion nucléaire. Cependant, toute la matière ne s’accumule pas dans l’étoile : une partie subsiste sous forme d’un disque protoplanétaire, où la température varie de quelques centaines de kelvins près de l’étoile à quelques dizaines de kelvins dans les régions externes.
Ce disque est composé principalement d’hydrogène et d’hélium, accompagnés de silicates, de métaux lourds (fer, nickel) et de glaces (eau, méthane, ammoniac) dans les zones les plus froides. Ces matériaux s’agglomèrent pour former des planétésimaux, puis des planètes sur des orbites relativement stables. Ce processus illustre la conservation du moment cinétique et la différenciation chimique qui caractérisent la formation des systèmes planétaires.
L’astrophysicien Carl Friedrich von Weizsäcker (1912-2007), en collaboration avec Hans Bethe (1906-2005), a étudié les processus nucléaires stellaires et l’énergie de liaison des nucléons. Ils ont formulé la célèbre équation de Bethe-Weizsäcker, décrivant les réactions de fusion au sein des étoiles, ainsi que le cycle de fusion nucléaire connu sous le nom de processus de Bethe-Weizsäcker (publié en 1937). Ces travaux ont démontré que le Soleil et les planètes se sont formés à partir d’un nuage de gaz et de poussières en rotation, il y a environ 4,668 milliards d’années, marquant le début de l’histoire du Système solaire.
Les phases de la formation du système solaire
en bref...
Naissance du Soleil et des planètes
En moins d’un million d’années, la contraction du cœur du nuage a provoqué une élévation extrême de la température et de la pression, déclenchant des réactions de fusion nucléaire : l’hydrogène s’est transformé en hélium, marquant l’allumage du Soleil (Hayashi et al., 1985). Autour de cette proto-étoile, les grains de poussière se sont agglomérés par accrétion, formant des planétésimaux, puis des protoplanètes.
Après environ 3 à 5 millions d’années, la structure globale du Système solaire était établie :
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Planètes telluriques (Mercure, Vénus, Terre, Mars) dans la zone interne, où la température élevée a empêché la condensation des volatils.
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Planètes géantes (Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune) dans la zone externe, riches en gaz et glaces.
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Entre ces deux régions se trouve la ceinture d’astéroïdes, vestige de matériaux non agrégés, tandis qu’au-delà de Neptune s’étend la ceinture de Kuiper, peuplée d’objets transneptuniens (Jewitt & Luu, 2000).
Le système solaire dans la galaxie
Un système parmi des milliards
Le Système solaire occupe une position périphérique dans le bras d’Orion de la Voie Lactée, galaxie qui contient environ 200 à 400 milliards d’étoiles (Bland-Hawthorn & Gerhard, 2016). La plupart de ces étoiles sont entourées de systèmes planétaires, comme l’attestent les milliers d’exoplanètes détectées par les missions Kepler et TESS (Borucki et al., 2010). Le système stellaire le plus proche, Alpha Centauri, se situe à 4,37 années-lumière, soit près de 40 000 milliards de kilomètres.
Exploration et perspectives
Malgré les progrès technologiques, l’exploration interstellaire reste hors de portée. Seules quelques sondes, comme Voyager 1, ont franchi l’héliopause, devenant en 2012 le premier artefact humain à pénétrer le milieu interstellaire (Stone et al., 2013). À l’échelle cosmique, notre galaxie n’est qu’une parmi les 2 000 milliards estimées dans l’Univers observable (Conselice et al., 2016), ce qui implique l’existence potentielle de milliards de systèmes planétaires supplémentaires.
Bibliographie
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Bland-Hawthorn, J., & Gerhard, O. (2016). The Galaxy in Context: Structural, Kinematic, and Integrated Properties. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 54, 529–596.
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Borucki, W. J., et al. (2010). Kepler Planet-Detection Mission: Introduction and First Results. Science, 327(5968), 977–980.
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Boss, A. P. (1997). Giant planet formation by gravitational instability. Science, 276(5320), 1836–1839.
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Conselice, C. J., Wilkinson, A., Duncan, K., & Mortlock, A. (2016). The Evolution of Galaxy Number Density at z < 8 and Its Implications. The Astrophysical Journal, 830(2), 83.
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Hayashi, C., Nakazawa, K., & Nakagawa, Y. (1985). Formation of the Solar System. In Protostars and Planets II.
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Jewitt, D., & Luu, J. (2000). Physical Nature of the Kuiper Belt. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 38, 289–348.
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Planck Collaboration. (2020). Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters. Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
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Stone, E. C., et al. (2013). Voyager 1 Observes Plasma Density in the Interstellar Medium. Science, 341(6153), 150–153.
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Processus de Bethe-Weizsäcker (publié en 1937)
Un Cadeau du Télescope Spatial Huble
À environ 12 772 500 000 000 000 kilomètres de la Terre, soit près de 1 300 années-lumière, au cœur de la nébuleuse d’Orion — dont l’étendue atteint 240 000 000 000 000 kilomètres, soit 24 années-lumière — le télescope spatial Hubble nous offre une observation directe du processus de formation d’un système stellaire, analogue à notre Système solaire.
On y distingue une protoétoile en cours d’accrétion, enveloppée d’un disque protoplanétaire constitué de gaz et de poussières. La température au centre de cette protoétoile atteint plusieurs milliers de kelvins, tandis que le disque environnant présente des zones plus froides, de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de kelvins.
La composition chimique de ce milieu est dominée par hydrogène moléculaire (H₂) et hélium, accompagnés de traces de oxygène, carbone, azote, ainsi que des silicates et glaces (eau, méthane, ammoniac) dans les régions les plus froides. Ces éléments et composés constituent la matière première pour la formation des planètes, des astéroïdes et des comètes.
Ce processus illustre les étapes clés de la formation stellaire, où la gravité provoque l’effondrement du nuage, la montée en température et, à terme, l’amorçage des réactions de fusion nucléaire au cœur de l’étoile.
L’étoile HL Tauri, une usine à planètes située à 450 années-lumière de notre Terre...
"Une image du Very Large Telescope (VLT) montre une jeune étoile, HL Tauri entourée d’un nuage de poussières et de gaz qui fromeront de nouvelles planètes."
Image de 2014, HL Tauripar le radiointerféromètre ALMA
(Atacama Large Millimeter / submillimeter Array)
L’étoile HL Tauri, encore très jeune (son âge se situe entre 100 000 et 1 million d’années), est localisée à environ 450 années-lumière de notre planète. Elle fait partie de la classe spectrale K9 selon la classification de Harvard, qui associe un type spectral à une étoile. Dès 2014, le radiointerféromètre ALMA (Atacama Large Millimeter / submillimeter Array) avait fait une image de ce système planétaire en formation.
La jeune étoile “HL Tauri” , capturée par le VLT : les «grumeaux» représentent les
nouvelles planètes en formation.
Crédits : Carrasco-Gonzalez et AL / Bill Saxton / NRAO / AUI / NSF.
Cette récente illustration, produite par l’instrument astronomique VLT (Very Large Telescope) situé dans l’État du Nouveau-Mexique, offre une résolution nettement supérieure à celle de la photo prise en 2014. Le VLT capture des longueurs d’onde qui permettent de pénétrer dans les poussières entourant l’étoile beaucoup plus profondément. Au centre on distingue parfaitement l’étoile en formation. On observe sur cette nouvelle image les premières phases de l’accrétion des planètes en formation dans le disque de poussières qui s’est aplatie autour de l’étoile.
« Un tel phénomène n’avait encore jamais été observé auparavant. On pensait que les planètes s’étaient formées au moins quelques dizaines de millions d’années après la naissance de leur étoile. Nous avons de nombreuses observations de naissance d’étoiles, mais jamais d’une phase aussi précoce de la formation de planètes”, commente Carlos Cattasco-Gonzalez, astronome.
Texte publié d’après une publication dans Astrophysical Journal Letters.
Les orbites des planètes du système solaire
Les orbites des planètes du système solaire sont les trajectoires que suivent les planètes autour du Soleil sous l’effet de la gravité.
Forme des orbites
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Elles sont elliptiques, comme l’a démontré Kepler, avec le Soleil situé en l’un des foyers.
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L’excentricité varie : presque circulaire pour Vénus et Terre, plus allongée pour Mercure et Pluton.
Plan des orbites
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La plupart des planètes orbitent dans un plan proche de l’écliptique (le plan de l’orbite terrestre).
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Les inclinaisons sont faibles (ex. : Terre ≈ 0°, Mercure ≈ 7°).
Sens et vitesse
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Toutes les planètes tournent dans le même sens : direct (anti-horaire vu du pôle Nord du Soleil).
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La vitesse dépend de la distance au Soleil : plus proche → plus rapide (loi des aires de Kepler).
Distances approximatives
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Mercure : 58 millions km
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Terre : 150 millions km
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Neptune : 4,5 milliards km
Lois fondamentales
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Kepler : trois lois (orbites elliptiques, loi des aires, loi des périodes).
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Newton : gravité explique la stabilité des orbites.
Bibliographie
Kepler, J. (1609). Astronomia Nova. Heidelberg.
Newton, I. (1687). Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica. Londres.
Laplace, P.-S. (1799). Traité de mécanique céleste. Paris.
Murray, C. D., & Dermott, S. F. (1999). Solar System Dynamics. Cambridge University Press.
Roy, A. E. (2005). Orbital Motion. CRC Press.
Carroll, B. W., & Ostlie, D. A. (2017). An Introduction to Modern Astrophysics. Pearson.
NASA. (n.d.). Planetary Fact Sheet. https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/
ESA. (n.d.). Solar System Exploration. https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Solar_System
Ouvrages en français à consulter
Luminet, J.-P. (2019). L’Univers expliqué à mes petits-enfants. Éditions du Seuil.
Schatzman, E. (2005). Astrophysique : une introduction. Éditions de l’Observatoire.
Biraud, Y. (2012). Astronomie et astrophysique. Dunod.
Lecacheux, J. (2018). Le système solaire. CNRS Éditions.
Articles et ressources en ligne
CNRS – https://www.cnrs.fr/fr/le-systeme-solaire
Ciel & Espace – https://www.cieletespace.fr/
Observatoire de Paris – https://www.observatoiredeparis.psl.eu/
Tableau des paramètres orbitaux des huit planètes
ACCRÉTION ET DIFFÉRENCIATION DE LA MATIÈRE POUR FORMER LES PLANÈTES TECTONIQUES...
Le terme accrétion est utilisé dans différents domaines scientifiques, mais on le rencontre surtout en astrophysique et en géologie. Il désigne la constitution et l'accroissement d'un corps, d'une structure ou d'un objet par apport ou agglomération de matière, généralement en surface ou en périphérie de celui-ci.
DE LA FORMATION DE CHONDRES A LA DIFFERENCIATION
Nurserie d'Etoiles
Photographie d'une partie de la Nébuleuse M-16, l'Aigle, qui est une nurserie d'étoiles, ce nuage de poussières et de gaz interstellaires donne naissance à des étoiles, en se condensant. Il faut se rappeler que le soleil est une étoile dotée de satellites, les planètes.
A droite, un nuage dense de chondres et de poussières grossies schématisés.
Chondres
A droite, formation de chondres par contraction sous l'effet de la gravité...
A gauche, les grains de poussières et les gaz se condensent sous l'effet de la gravité la chaleur y est très élevée.
Accrétion
À gauche, des amas de chondres sous l’effet de la gravité se regroupent en amas de solides en fusion de plus en plus gros qui, sous l’effet de la chaleur et de l’hydratation, se modifient chimiquement. C'est le phénomène d'accrétion.
Ce qui donne naissance à des planétoïdes chondritiques, à droite.
PLANETOÏDE et Différenciation
Si ce phénomène se poursuit, certains corps prennent une dimension importante, devenant de véritables protoplanètes, et leur masse atteint un point critique. Les éléments radioactifs qu’ils contiennent produisent de la chaleur qui fait fondre la matière. Les éléments les plus lourds migrent vers le cœur du planétoïde, tandis que les plus légers se refroidissent en surface et formeront une croûte.
La différenciation des planètes tectoniques...
Sous l’effet de la chaleur, due à la radioactivité, et de la gravité, les différents éléments chimiques se répartissent en couches selon leur densité.
Weizsäcker et Bethe
Carl Friedrich von Weizsäcker, 28 juin 1912 - 28 avril 2007, physicien et philosophe allemand.
Son activité scientifique de chercheur concerne l'énergie de liaison entre nucléons et les processus nucléaires au sein des étoiles. Il se consacre à ce dernier sujet de recherche en compagnie de Hans Bethe. Il découvre une formule des processus nucléaires des étoiles, appelée formule de Bethe-Weizsäcker, ainsi que le procédé cyclique de la fusion nucléaire dans les étoiles (processus de Bethe-Weizsäcker, publié en 1937).
Carl Friedrich von Weizsäcker (1912–2007)
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Physique nucléaire : Il a formulé en 1935 la formule semi-empirique des masses nucléaires, aussi appelée formule de Bethe-Weizsäcker. Cette équation, basée sur le modèle de la goutte liquide, permet d’estimer l’énergie de liaison des noyaux en fonction du nombre de protons et de neutrons. Elle inclut des termes pour :
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Énergie de volume (cohésion des nucléons)
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Énergie de surface
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Énergie Coulombienne (répulsion entre protons)
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Asymétrie proton-neutron
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Terme de couplage (pairing). [en.wikipedia.org], [fiveable.me], [scientificlib.com]
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Astrophysique : Il a proposé en 1937-1938 le rôle des réactions nucléaires dans les étoiles, anticipant le cycle CNO (Carbone-Nitrogène-Oxygène). [link.springer.com]
Hans Bethe (1906–2005)
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Cycle CNO (ou cycle Bethe-Weizsäcker) : En 1939, Bethe a démontré que ce cycle est la principale source d’énergie des étoiles plus massives que le Soleil. Ce processus catalytique transforme l’hydrogène en hélium en utilisant des isotopes de C, N et O comme catalyseurs. Il a reçu le Prix Nobel de physique en 1967 pour ses travaux sur la nucléosynthèse stellaire. [en.wikipedia.org], [par.nsf.gov], [en.wikipedia.org], [explorenuclear.com], [astroingeo.fr]
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Autres contributions : Théorie des réactions nucléaires, rôle clé dans le projet Manhattan, et défense du contrôle des armements après la guerre. [en.wikipedia.org]
Importance conjointe
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Formule de Bethe-Weizsäcker : Base de la compréhension de la stabilité nucléaire.
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Cycle Bethe-Weizsäcker (CNO) : Explique comment les étoiles produisent leur énergie et synthétisent des éléments légers, fondement de l’astrophysique moderne. [en.wikipedia.org], [hellenicaworld.com]
Hans Albrecht Eduard Bethe (2 juillet 1906 – 6 mars 2005) était unphysicien allemand exilé aux Etat-Unis, qui a apporté des contributions majeures àl a physique nucléaire, l'astrophysique, à l'électrodynamique quantique et à la physique du solide.
Il a reçu leprix Nobel de physiqueen 1967 pour ses travaux sur la théorie de lanucléosynthèse stellaire.
Sources
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Formule de Bethe-Weizsäcker : Base de la compréhension de la stabilité nucléaire.
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Cycle Bethe-Weizsäcker (CNO) : Explique comment les étoiles produisent leur énergie et synthétisent des éléments légers, fondement de l’astrophysique moderne. [en.wikipedia.org], [hellenicaworld.com]
A propos de la 9ème planète...
La formation de la Lune
Il y a 4.53 Ga un planétoïde de la taille de Mars, Théia, est attiré par le champ gravitationnel de la Terre et frappe la boule de matière en fusion. Il y arrache une grande quantité de matière qui s’éjecte dans l’espace en restant en orbite. Sous l’effet de la gravité, ce nuage de matière se condense, s’accrétionne et se différencie formant ainsi la lune.
Document.
La formation du système solaire par
Thierry Lombry
Astrosurf/Luxorion
DES VIDEOS POUR EN SAVOIR PLUS SUR
LE SYSTEME SOLAIRE . . .
Concernant les planètes non tectoniques, les planètes naines, les satellites naturels, et autres petits corps je les considères comme hors sujet dans le cadre de la géologie.
Toutefois dans la rubrique météorites nous parlerons de la ceinture d'astéroïdes.
Pour celles et ceux qui veulent approfondir le sujet il existe un site scientifique remarquable où vous trouverez une importante somme de données :
http://www.astrosurf.com/luxorion/sysol-generalites.htm