Le Grand Bombardement, l'histoire chaotique à l'origine du système solaire

Le grain de poussière a été arraché à la chevelure d’une comète, à plus de 350 millions de kilomètres de là. Son image se met à grossir sous un microscope électronique de l’université de Washington, jusqu’à remplir l’écran de l’ordinateur.

Dave Joswiak zoome sur une tache noire à l’allure de falaise déchiquetée, portant le grossissement à 900 000 fois. La tache se décompose en points minuscules, noir de jais.

« Certains de ces trucs mesurent seulement quelques nanomètres, observe Joswiak. C’est incroyablement petit. Nous pensons qu’il s’agit d’un matériau primordial inchangé, dont tout a pu se constituer dans le système solaire. »

Ce grain de poussière porte un nom : Inti, d’après le dieu inca du Soleil. Il a sans doute passé la quasi-totalité des derniers 4,5 milliards d’années dans un froid extrême, au-delà de Neptune, à l’intérieur de la comète Wild 2.

Il y a plusieurs décennies, Wild 2 a dévié vers une orbite la conduisant près de Jupiter, où elle a commencé à se désintégrer sous l’effet de la chaleur solaire. En janvier 2004, la sonde de la Nasa Stardust a survolé Wild 2 et récolté des milliers de grains de poussière grâce à un piège d’aérogel – un matériau très peu dense, ressemblant à de la fumée solidifiée.

Deux ans plus tard, une capsule convoyant cette cargaison a atterri en parachute dans le désert de l’Utah. Les membres de l’équipe Stardust ont retiré les poussières de l’aérogel et les ont placées sous le microscope. Ce qu’ils ont vu les a abasourdis.

Les planètes, comètes et autres corps en orbite autour du Soleil naquirent voilà 4,5 milliards d’années d’un disque de poussières et de gaz en rotation – la nébuleuse solaire. Les scientifiques savent cela depuis longtemps.

Et longtemps ils ont supposé que les choses s’étaient formées quasiment là où elles gravitent actuellement. Dans la région glaciale située au-delà de Neptune, la matière disponible pour créer des comètes aurait été un mélange de glace et de poussières floconneuses riches en carbone.

Or les grains noirs d’Inti recelaient des minéraux exotiques : de durs fragments de roches et de métaux (tungstène, nitrure de titane…) qui n’avaient pu se former qu’à proximité du jeune Soleil, à des températures supérieures à 1 700 °C.

Un processus brutal avait dû les éjecter aux confins du système solaire. « Nous étions sidérés, se souvient Donald Brownlee, directeur de l’équipe Stardust et patron de Joswiak. C’était stupéfiant de trouver ces matériaux nés à haute température dans les corps les plus froids du système solaire. Comme si celui-ci était littéralement sens dessus dessous. »

Quand nous étions enfants, le système solaire semblait stable. « Il y avait neuf planètes gravitant à jamais sur des orbites bien déterminées avec une précision d’horloge », résume Renu Malhotra, de l’université de l’Arizona. Une idée que matérialisaient les planétariums et les dispositifs mécaniques appelés « planétaires » qui remontaient à l’époque d’Isaac Newton.

À la fin du XVIIe siècle, Newton montra que l’on pouvait calculer l’orbite d’une planète d’après son interaction gravitationnelle avec le Soleil. Bientôt des horlogers se mirent à confectionner des planétaires de plus en plus élaborés, avec des planètes en cuivre tournant autour du Soleil selon une trajectoire immuable.

Mais Newton lui-même savait que la réalité était plus compliquée. Les planètes, reconnaissait-il, devaient sûrement interagir aussi entre elles. Leurs attractions gravitationnelles sont bien plus faibles que celle du Soleil mais, au fil du temps, elles finissent par influer sur les trajectoires des planètes voisines.

Résultat, selon les mots de Brownlee : « Une orbite circulaire, ça n’existe pas. » En théorie, la présence incessante de l’attraction gravitationnelle peut amplifier ces petites déviations des planètes jusqu’à ce que leurs orbites migrent, se croisent ou se détraquent. Newton concluait que Dieu devait intervenir de temps à autre pour régler l’horloge.

Mais il ne pouvait pas dire quand ; il ne disposait d’aucune formule pour calculer l’évolution à long terme des orbites des corps célestes exerçant leurs attractions mutuelles. Et, en pratique, personne ne voyait d’éléments suggérant que les orbites planétaires avaient changé. De sorte que l’image mécaniste du système solaire a perduré jusqu’à nos jours.

Or une conception infiniment plus spectaculaire est apparue ces dernières décennies : des centaines de millions d’années après leur formation, les planètes géantes furent entraînées vers de nouvelles orbites, projetant de gros objets de roches et de glace dans toutes les directions. Selon ce point de vue, les cicatrices d’impact à la surface de la Lune témoignent encore de cette période de grand bombardement.

« Qui aurait imaginé que les orbites des planètes géantes pouvaient se déplacer, que le schéma d’ensemble du système solaire pouvait se transformer ? », s’interroge Alan Stern, du Southwest Research Institute (SWRI), à Boulder, au Colorado.

Certains signes étaient là, affirme Stern. Mais, pour les révéler, il a fallu de nouveaux relevés télescopiques, ainsi que des « planétaires numériques » – des algorithmes ingénieux recourant à la formidable puissance de l’informatique pour calculer les orbites passées et futures des planètes.

Pluton a fourni le premier indice. L’orbite allongée de ce curieux objet passe bien au-dessus et au-dessous du plan dans lequel évoluent les huit planètes du système solaire, et le mène de trente à cinquante fois la distance de la Terre au Soleil.

Mais le plus curieux, c’est son lien avec Neptune, appelé « résonance » : chaque fois que Neptune réalise trois révolutions autour du Soleil, Pluton en effectue deux, sans que ces astres ne se rapprochent jamais l’un de l’autre.

En 1993, Renu Malhotra a déterminé la genèse de cette synchronisation parfaite. Son hypothèse : Neptune se trouvait plus près du Soleil quand le système solaire était encore jeune, plein d’astéroïdes et de comètes.

Dès que l’un de ces corps s’approchait de Neptune, la gravité puissante de cette planète pouvait l’envoyer plus près du Soleil, ou à l’opposé l’expulser du système solaire. Toute action générant une réaction, l’orbite de Neptune changeait aussi de façon infime – en général pour s’éloigner du Soleil, selon le modèle numérique de Malhotra.

Dans son scénario, cela conduisait Neptune à « capturer » Pluton, qui était déjà plus loin du Soleil, et à le lier gravitationnellement. Les collègues de Malhotra étaient dubitatifs. Mais, moins d’une décennie plus tard, il apparut qu’elle avait raison.

Dans la ceinture de Kuiper, une zone sombre s’étendant bien au-delà de Neptune, les télescopes ont révélé une multitude de plutinos (des petits objets glacés présentant la même résonance 2 : 3 avec Neptune).

La seule explication, affirme Malhotra, est que Neptune s’est avancée vers la ceinture de Kuiper tel un chasse-neige gravitationnel, poussant les planètes naines vers de nouvelles orbites.

Plusieurs autres particularités du système solaire intriguaient les planétologues quand a émergé l’idée de la migration des planètes. Au début des années 2000, ils avaient compris depuis longtemps que la naissance du système solaire avait été agitée.

Les planètes ne s’étaient pas doucement accrétées mais avaient crû en absorbant des planétésimaux (des astéroïdes de roches, des comètes de glace et des objets plus gros) qui s’écrasaient violemment contre elles. Tout cela s’était sans doute produit lors des cent premiers millions d’années du système solaire.

Certains de ces corps étaient groupés dans un disque aplati, d’autres dans un nuage en forme de beignet ; d’autres encore suivaient des orbites plus excentriques (le terme technique pour allongées) que celle de Pluton. La migration sans heurt par laquelle Malhotra avait expliqué les plutinos n’aurait pas aussi largement dispersé les débris.

En parallèle, les astronomes avaient commencé à découvrir des planètes en orbite autour d’autres étoiles, révisant radicalement leur conception de la structure des systèmes planétaires. On a actuellement détecté des exoplanètes par centaines.

Elles sont parfois regroupées sur des orbites très voisines ; d’autres, des planètes géantes très chaudes, gravitent tout près de leur étoile ; d’autres encore présentent des orbites incroyablement allongées ; certaines enfin flottent dans l’espace interstellaire.

Tout cela ne cadre pas avec ce qu’on attendrait de planètes nées dans un disque tournant autour d’une étoile et demeurées sagement sur leur lieu de naissance. Un tel processus aurait engendré des orbites quasi-circulaires et bien espacées, comme celles des planétaires en cuivre.

À l’évidence, bien des planètes avaient migré. Mais des migrations sans heurt ne semblaient pas justifier des orbites extrêmes et des bombardements tardifs – du moins pas selon Harold Levison, du SWRI. Celui-ci s’est mis à suspecter que l’histoire de notre système solaire avait été tout sauf tranquille. C’est pour s’en faire une idée qu’il rejoignit trois de ses collègues à Nice.

Surnommé « Hal », Levison est un grand gaillard aux cheveux grisonnants. « Ce que je vais dire est absolument dingue, a-t-il déclaré en ouverture d’un récent séminaire. Si on publie ça, ma carrière risque d’être fichue. »

Il aurait pu faire la même remarque en 2004 à propos de ce qu’on appelle à présent le « modèle de Nice » : l’hypothèse que lui et ses collègues, dont Alessandro Morbidelli, de l’Observatoire de la Côte d’Azur, à Nice, ont échafaudée sur la base de dizaines de simulations numériques sur ordinateur.

En substance, l’équipe impliquée suggérait que les quatre planètes géantes de notre système solaire (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) se trouvaient initialement beaucoup plus proches les unes des autres, sur des orbites quasi-circulaires, les trois dernières étant plus proches du Soleil qu’actuellement.

Elles avaient commencé à s’accréter dans la nébuleuse solaire en forme de disque, encore pleine de débris de glace et de roches. À mesure que les planètes absorbaient ces planétésimaux ou les expulsaient après des rencontres rapprochées, elles libéraient des espaces dans le disque.

Les planètes exerçant aussi des attractions mutuelles, l’ensemble du système était fragile. Tout se passait comme si, au lieu que chaque planète soit attachée au seul Soleil par un bras en cuivre, elles étaient toutes également liées entre elles par des ressorts gravitationnels.

Le plus puissant de ces liens unissait les deux plus gros corps, Jupiter et Saturne. Un coup sec sur ce ressort aurait secoué le système tout entier.

Et c’est ce qui survint quand le système solaire avait entre 500 et 700 millions d’années, estime l’équipe de Levison. Tandis que les planètes interagissaient avec les planétésimaux, leurs propres orbites changeaient.

Jupiter se déplaça légèrement vers l’intérieur et Saturne légèrement vers l’extérieur, ainsi que Neptune et Uranus. Tout se passa lentement – jusqu’au point où la période de révolution de Saturne fut exactement le double de celle de Jupiter.

Cette résonance n’était pas stable comme celle entre Neptune et Pluton. C’était un coup bref et vigoureux sur le ressort. Alors que Jupiter et Saturne se rapprochaient et exerçaient chaque fois une attraction mutuelle au même point de leurs orbites quasi-circulaires, celles-ci s’allongeaient pour aboutir aux ellipses que nous observons aujourd’hui.

Cela rompit bientôt la résonance précise. Mais pas avant que Saturne ne se fût assez rapprochée de Neptune et d’Uranus pour les accélérer. Ces deux planètes s’élancèrent violemment vers l’extérieur.

Neptune et Uranus labourèrent alors des régions du système solaire encore pleines de planétésimaux glacés, provoquant une cascade dévastatrice. Des boules de glace furent catapultées dans toutes les directions et de nombreux objets furent dispersés dans la ceinture de Kuiper (dont, sans doute, la comète Wild 2).

Un nombre incalculable d’entre eux – peut-être 1 billion – furent chassés encore plus loin, vers le nuage d’Oort, un vaste cocon de comètes s’étendant jusqu’à mi-chemin de l’étoile la plus proche du Soleil. Quantité de comètes furent également précipitées à l’intérieur du Système solaire, s’écrasant sur des planètes ou se désagrégeant dans la chaleur du Soleil.

Dans l’intervalle, la migration des planètes géantes déstabilisa aussi la ceinture d’astéroïdes entre Jupiter et Mars. En se dispersant, ceux-ci contribuèrent, avec les noyaux cométaires, à provoquer le Grand Bombardement tardif.

Une récente mission de la Nasa a établi que la Lune avait encore énormément souffert à cette époque : sa croûte tout entière fut profondément fracturée. La Terre fut sans doute frappée par un bombardement plus important encore, mais la tectonique des plaques en a effacé les cratères.

Le pire du Grand Bombardement tardif aurait pris fin en moins de 100 millions d’années, d’après le modèle de Nice. Toutefois des travaux récents de Bill Bottke, du SWRI, suggèrent que la vie primitive, si elle existait déjà, aurait été perturbée pendant encore 2 milliards d’années par les impacts résiduels. 

Quand un astéroïde heurte la Terre, de minuscules gouttelettes de roche fondue sont projetées dans la haute atmosphère, puis retombent sous forme de minuscules grains solides et cristallins – ou sphérules.

Des dépôts de sphérules provenant de l’astéroïde large de 10 km qui percuta le Yucatán il y a quelque 65 millions d’années, en entraînant la disparition des dinosaures, ont été découverts un peu partout dans le monde.

Jusqu’ici, une douzaine au moins de gisements de sphérules de même type ont été retrouvés; ils correspondent à une série d’impacts survenus entre 1,8 milliard et 3,7 milliards d’années, après la formation du système solaire.

Le modèle de Nice est une hypothèse qui ne convainc pas tous les scientifiques. Que quelques planètes au moins aient migré, chacun l’admet aujourd’hui ; mais que ce phénomène ait déclenché une violente crise à l’échelle du système solaire fait débat.

« C’est un concept fascinant, dit Donald Brownlee. Cela doit survenir ailleurs, autour d’autres étoiles. Nous ne sommes pas sûrs si cela s’est produit ici ou non. »

Des particules cométaires comme Inti ont été brutalement éjectées du voisinage du Soleil, déclare Brownlee, mais les planètes se déplacèrent peut­être plus doucement.

La vérification du modèle de Nice repose sur la cartographie. Inventorier la composition et les orbites des objets distants devrait révéler si oui ou non ils furent projetés là où ils se trouvent par les planètes – et comment.

Alan Stern dirige la mission New Horizons de la Nasa, qui survolera Pluton et ses cinq lunes connues en juillet 2015, grâce à une sonde automatisée. De là, Stern espère réorienter New Horizons afin d’examiner au moins un autre corps de la ceinture de Kuiper.

Les télescopes de la prochaine décennie dévoileront beaucoup plus d’objets dans la ceinture de Kuiper. Ils permettront peut­être aussi de jeter un coup d’œil au nuage d’Oort, que Stern qualifie de grenier du système solaire : « À mon avis, le nuage d’Oort sera rempli de planètes. On y trouvera plein d’objets de la taille de Mars ou de la Terre. »

Qu’en est­il de l’avenir des planètes que nous connaissons ? Il existe tant de données aléatoires dans le système que toute prévision, comme toute reconstruction du passé, doit être présentée en termes de probabilités, souligne Greg Laughlin, théoricien à l’université de Californie à Santa Cruz.

Les scientifiques sont certains (pour autant qu’on puisse l’être) que les quatre planètes géantes ont cessé de migrer et qu’elles se trouveront encore sur les mêmes orbites dans 5 milliards d’années.

À ce moment­ là, on s’attend à ce que le Soleil vieillissant se dilate et engloutisse les planètes intérieures – Mercure, Vénus, la Terre et Mars. Il est un peu moins sûr que ces planètes intérieures seront encore là pour mourir ainsi.

« Il y a 1 % de chance que le système solaire intérieur devienne extrêmement instable au cours des 5 milliards d’années à venir », précise Laughlin.

Le problème réside dans une étrange connexion à longue distance entre Jupiter et Mercure. 

Quand Jupiter s’approche au plus près du Soleil et qu’elle est alignée avec Mercure située au point le plus éloigné du Soleil sur son orbite nettement allongée, la planète géante exerce alors une attraction légère mais bien réelle.

Sur des milliards d’années, Mercure a 1 chance sur 100 de croiser l’orbite de Vénus. En outre, si Mercure perd la tête, il existe 1 chance sur 500 pour que l’orbite de Vénus ou de Mars soit perturbée et que l’une des deux heurte la Terre.

Et si elle la manquait de quelques milliers de kilo- mètres, ce serait presque aussi catastrophique. « La Terre tout entière s’étirerait et fondrait comme un bonbon au caramel », décrit Laughlin.

Ce mince risque d’apocalypse – 1 chance sur 50 000 que la Terre succombe à un chaos orbital avant que le Soleil ne la consume – est notre héritage de la jeunesse du système solaire, quand il s’est retourné comme un gant. « Si vous laissez assez de temps à la gravitation, remarque Harold Levison, elle fait des trucs de ce genre. »