La phase initiale chaotique du système solaire

Avant la formation de la Terre et des autres planètes, le jeune soleil était encore entouré de gaz et de poussières cosmiques. Au fil des millénaires, des fragments de roche de différentes tailles se sont formés à partir de la poussière. Beaucoup d'entre eux sont devenus des blocs de construction pour les planètes ultérieures. D'autres n'ont pas fait partie d'une planète et tournent encore autour du soleil aujourd'hui, par exemple des astéroïdes dans la ceinture d'astéroïdes.

Des scientifiques de l'ETH Zurich et du Pôle de recherche national (PRN) PlanetS, en collaboration avec une équipe internationale, ont analysé des échantillons de fer provenant des noyaux de ces astéroïdes qui ont atterri sur Terre sous forme de météorites. Ce faisant, ils ont dévoilé une partie de leur histoire, à l'époque de la formation des planètes. Leurs conclusions ont été publiées dans la revue Nature Astronomy.

Les témoins des débuts du système solaire

«De précédentes études scientifiques ont montré que les astéroïdes du système solaire sont restés relativement inchangés depuis leur formation, il y a des milliards d'années», explique Alison Hunt, auteure principale de l'étude et chercheuse à l'ETH Zurich et au PRN PlanetS. «Les astéroïdes constituent donc des archives dans lesquelles les conditions du système solaire primitif sont préservées», poursuit Alison Hunt.

Mais pour débloquer ces archives, les scientifiques ont dû préparer et examiner minutieusement le matériau extra-terrestre. L'équipe a prélevé des échantillons de 18 météorites ferreuses différentes, qui faisaient autrefois partie des noyaux métalliques des astéroïdes. Pour effectuer leur analyse, ils ont dû dissoudre les échantillons afin de pouvoir isoler les éléments Palladium, Argent et Platine pour leur analyse détaillée. À l'aide d'un spectromètre de masse, ils ont mesuré les abondances des différents isotopes de ces éléments. Les isotopes sont des atomes distincts d'éléments donnés, en l'occurrence le palladium, l'argent et le platine, qui partagent tous le même nombre de protons dans leur noyau, mais dont le nombre de neutrons varie.

Au cours des premiers millions d'années de notre système solaire, les noyaux métalliques des astéroïdes ont été chauffés par la désintégration radioactive des isotopes. En mesurant les rapports isotopiques actuels de l'argent dans les météorites de fer, les chercheurs ont pu déterminer à quel moment et à quelle vitesse les noyaux des astéroïdes s'étaient refroidis.

Les résultats ont montré que le refroidissement était rapide et qu'il était probablement dû à de graves collisions avec d'autres corps, qui ont brisé le manteau rocheux isolant des astéroïdes et exposé leurs noyaux métalliques au froid de l'espace. Si le refroidissement rapide avait été indiqué par des études antérieures basées sur des mesures des isotopes d'argent, le moment où il s'est produit n'était pas clair.

«Nos mesures supplémentaires des abondances des isotopes du platine nous ont permis de corriger les mesures des isotopes de l'argent des distorsions causées par l'irradiation cosmique des échantillons dans l'espace. Nous avons donc pu dater le moment des collisions avec plus de précision que jamais», rapporte Hunt. «Et à notre grande surprise, tous les noyaux astéroïdaux que nous avons examinés avaient été exposés presque simultanément, dans un délai de 7,8 à 11,7 millions d'années après la formation du système solaire», précise la chercheuse.

Les collisions quasi simultanées des différents astéroïdes ont indiqué à l'équipe que cette période a dû être une phase très instable du système solaire. «Tout semble s'être fracassé à ce moment-là", explique Alison Hunt. «Et nous voulions savoir pourquoi», ajoute-t-elle.

Du laboratoire à la nébuleuse solaire

L'équipe a envisagé différentes causes en combinant ses résultats avec ceux des simulations informatiques les plus récentes et les plus sophistiquées du développement du système solaire. Ensemble, ces sources ont permis de réduire le nombre d'explications possibles.

«La théorie qui expliquait le mieux cette phase initiale énergique du système solaire indiquait qu'elle était principalement causée par la dissipation de ce qu'on appelle la nébuleuse solaire», explique Maria Schönbächler, co-auteur de l'étude, membre du PRN PlanetS et professeur de cosmochimie à l'ETH Zurich. «Cette nébuleuse solaire est le reste de gaz qui a été laissé par le nuage cosmique dont le Soleil est né. Pendant quelques millions d'années, elle a tourné autour du jeune Soleil jusqu'à ce qu'elle soit emportée par les vents et les radiations solaires», explique Maria Schönbächler.

Lorsque la nébuleuse était encore là, elle ralentissait les objets en orbite autour du Soleil, un peu comme la résistance de l'air ralentit une voiture en mouvement. Après la disparition de la nébuleuse, suggèrent les chercheurs, l'absence de traînée gazeuse a permis aux astéroïdes d'accélérer et d'entrer en collision les uns avec les autres - comme des auto-tamponneuses passées en mode turbo.

«Notre travail illustre comment l'amélioration des techniques de mesure en laboratoire nous permet de déduire les processus clés qui ont eu lieu dans le système solaire primitif, comme le moment probable de la disparition de la nébuleuse solaire. Les planètes comme la Terre étaient encore en train de naître à cette époque. En définitive, cela peut nous aider à mieux comprendre comment nos propres planètes sont nées, mais aussi nous donner des indications sur d'autres planètes en dehors de notre système solaire», conclut Schönbächler.