Enfants du soleil

Histoire de nos origines

André Brahic

• Éditeur: Odile Jacob
• Année: 1999
• Imprimer l'ISBN: 9782738105905
• ISBN de l'eBook: 9782738179364
• Sujet: Sciences physiques
• Sujet: Astronomie et astrophysique

D'où venons-nous ? Comment le Soleil et la Terre sont-ils apparus ? Nous avons enfin atteint le moment où la science peut apporter des réponses de plus en plus précises, de plus en plus étonnantes. La Nature a décidément plus d'imagination que les hommes ! Depuis l'exploration spatiale, nous en avons plus appris sur notre système solaire et son origine en une génération qu'en quarante siècles. Là où l'on attendait l'uniformité, on a trouvé la plus grande diversité. André Brahic, qui a découvert les anneaux de Neptune, nous présente les multiples facettes du système solaire et nous raconte quatre milliards et demi d'années de son histoire. Les planètes sont les sœurs du Soleil. Nous sommes les enfants du temps et des étoiles. Sommes-nous seuls dans l'Univers ? Les astronomes commencent à apercevoir d'autres planètes autour de quelques soleils proches. Ils espèrent bientôt trouver d'autres Terres... Astrophysicien, André Brahic est professeur à l'université Paris-VII Denis-Diderot et au Commissariat à l'énergie atomique à Saclay. Il participe à l'exploration du système solaire au sein des équipes d'imagerie des sondes Voyager et Cassini.

PREMIÈRE PARTIE

LES ARCHÉOLOGUES DU CIEL

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— C’est pas rien de démarrer un univers à la manivelle.

Dessin de Jean Effel. (© ADAGP, Paris, 1999.)

CHAPITRE II

Promenade dans le système solaire

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L’exploration du système solaire

« Croyez le, si voulez ; si vous ne voulez, allez y voir ! »

François RABELAIS.

Avant d’essayer de le comprendre, promenons-nous donc dans le système solaire pour en dresser l’inventaire et noter les particularités des objets qui le composent. Pendant longtemps, les planètes et les satellites ne sont apparus, vus de la Terre, que comme des points de lumière. Les astronomes se contentaient d’en étudier le mouvement et ne possédaient que peu d’informations sur l’état physique de ces objets. Après plus de deux mille ans d’efforts, il devint évident que la Terre et les planètes tournaient autour du Soleil et non le contraire. Par contre, il y avait toujours plus de fantaisie que de véracité dans la description des planètes jusqu’à l’ère spatiale, et nos arrière-grands-parents y voyaient des paysages chimériques. Ils n’excluaient pas que la vie fût présente à la surface de Vénus ou de Mars. Les dessinateurs y transposaient des paysages terrestres à l’ère secondaire, ou la jungle amazonienne dans le cas de Vénus, ou encore quelques-uns des déserts terrestres dans le cas de Mars. Dans une certaine mesure, ils avaient bien prévu la chaleur et la moiteur de Vénus, mais sans oser imaginer l’enfer qu’elle abrite réellement. De même, les déserts de Mars n’étaient pas aussi glacés et rouges que dans la réalité. Mercure ou les satellites des planètes géantes ressemblaient alors à la Lune. Les quatre planètes géantes que sont Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune étaient considérées comme quatre boules de gaz très semblables les unes aux autres. Quelle erreur ! Pluton n’était pas encore connue.

L’exploration du système solaire a totalement bouleversé cette image naïve, et une première grande leçon a pu aussitôt en être tirée, à savoir l’immense diversité des objets qu’on y trouve. Chaque planète a sa propre personnalité bien différente de ses voisines. Le monde des satellites est lui aussi d’une très grande richesse. Alors que nous en avions trouvé un peu moins de trente avant 1970, nous en connaissons plus de soixante-dix en 1999.

Aucun satellite et aucune planète ne ressemblent aux autres, mais leur diversité même est bien tempérée. En effet, si tous les objets étaient parfaitement identiques, leur étude comparée serait très ennuyeuse et peu instructive. Si, au contraire, tous ces astres étaient totalement différents, il serait bien difficile de trouver le moindre lien entre eux et de les comprendre. Heureusement, chaque planète ou satellite présente à la fois des différences et des ressemblances avec ses voisins. Une étude comparative systématique permet de mieux comprendre le rôle de chaque paramètre physique dans l’évolution d’un astre. Certains corps ont la même taille mais des températures différentes, d’autres ont la même densité mais des tailles différentes, d’autres ont des températures comparables mais une composition chimique différente, et c’est ainsi qu’en comparant les corps entre eux on peut mieux les connaître et finalement mieux connaître la Terre.

La planétologie comparée devrait se développer au XXI^e siècle et enrichir la géologie et la géophysique traditionnelles. Cette nouvelle discipline apportera des éléments clés pour mieux connaître la Terre. Tous les passionnés d’écologie devraient tomber amoureux de l’astronomie comme moyen de mieux connaître notre astre. Un peu comme le physicien qui, dans son laboratoire, change les conditions d’expérience, l’astronome pourra, en comparant chaque planète ou chaque satellite à son voisin, isoler le rôle de chaque paramètre physique — la température, la densité, la pression, la masse, la composition chimique… — sans porter atteinte à l’intégrité de la Terre ou de ses compagnes.

Mais le système solaire ne se réduit pas à quelques planètes tournant dans le vide autour du Soleil. Il y a, d’une part, beaucoup plus d’objets qu’on ne le soupçonnait encore récemment et, d’autre part, un espace interplanétaire loin d’être vide. Une foule de petits corps gravite autour du Soleil. Ces corps, peu transformés depuis l’époque reculée de leur formation, devraient nous apporter des informations précieuses sur nos origines. Nous connaissons plus de dix mille astéroïdes, mais nous sommes très loin du compte, car nous soupçonnons qu’il en existe quatre cent mille. Nous avons observé six cent cinquante comètes depuis deux mille ans, mais nous pressentons que mille milliards d’entre elles se promènent au loin.

L’espace interplanétaire est rempli de poussières produites par les comètes et les collisions entre astéroïdes. On y observe aussi du gaz, des particules de haute énergie et de la matière expulsée du Soleil. Ce milieu est appelé par les physiciens un « plasma », c’est-à-dire un milieu où les noyaux des atomes et leurs électrons ont été séparés. Ce milieu, composé d’ions et d’électrons électriquement chargés, est plus ou moins diffus. C’est en quelque sorte un quatrième état de la matière après les états solide, liquide et gazeux.

Le Soleil, siège d’incessantes éruptions, éjecte en permanence de la matière dans ce qu’on appelle le « vent solaire ». Chaque corps du système solaire est donc bombardé en permanence par ce flot de matière. L’atmosphère solaire très raréfiée, en expansion, et donc constamment renouvelée, s’étend au-delà de l’orbite des planètes. En un mot, nous baignons dans l’atmosphère étendue du Soleil. Nous sommes des enfants du Soleil qui vivons toujours chez nos parents.

Des planètes comme la Terre, Jupiter ou Saturne produisent un champ magnétique responsable de la création d’une zone complexe baptisée « magnétosphère ». L’interaction du vent solaire avec cette magnétosphère est un phénomène particulièrement prisé par les physiciens qui leur permet d’étudier un plasma naturel. La magnétosphère terrestre nous protège du bombardement des particules ionisées et des éruptions solaires. Elle constitue une espèce de bouclier face aux particules solaires très énergétiques, donc dangereuses.

Les limites du système solaire ne s’arrêtent pas à l’orbite de Neptune ou de Pluton. Parmi les milliers de milliards de comètes qui gravitent autour du Soleil, certaines s’éloignent jusqu’à une année-lumière de celui-ci, soit environ mille cinq cents fois plus loin que Pluton. Elles vont presque rendre visite aux étoiles voisines puisque l’étoile la plus proche est située environ six mille fois plus loin que Pluton. On pourrait donc fixer la limite du système solaire à l’endroit le plus éloigné atteint par une comète, mais une manière plus réaliste de la définir est de chercher la frontière entre le milieu interplanétaire et le milieu interstellaire. Les sondes qui quittent actuellement le système solaire devraient nous permettre de la trouver rapidement.

La distinction entre planète et satellite, entre planète et astéroïde, entre astéroïde et comète provient des conditions dans lesquelles ces objets ont été observés par les astronomes. En fait, la frontière est très floue, et les différences parfois subtiles. Il faut plutôt concevoir la population du système solaire comme un ensemble de corps avec une grande continuité de l’un à l’autre. Par exemple, deux corps peuvent être quasiment identiques, mais se trouver en orbite autour du Soleil pour l’un et autour d’une planète pour l’autre. On appellera le premier un satellite et le second un astéroïde. Inversement, Pluton apparaît comme le plus gros des nombreux corps de quelques dizaines à quelques centaines de kilomètres de diamètre découverts au-delà de l’orbite de Neptune. On pourrait alors considérer Pluton comme un gros astéroïde plutôt que comme une planète. Un satellite tourne autour d’une planète, par définition, mais les plus gros, tels que Titan ou Triton, sont nettement plus gros que Pluton et tout à fait comparables à Mercure du point de vue physique. La plus petite planète, Pluton, a un diamètre d’environ 2 300 km. Le plus gros astéroïde, Cérès, a un diamètre d’environ 1 000 km. Là aussi, la différence entre un gros astéroïde, un petit satellite ou une petite planète est très faible. Il y a continuité.

On imagine les comètes comme des corps situés aux confins du système solaire et donc formés d’éléments volatils. Lorsqu’ils s’approchent du Soleil, ils en perdent une grande partie. Un astéroïde apparaît, lui, comme un corps beaucoup plus rocailleux, en orbite plus près du Soleil. On peut imaginer qu’à des distances intermédiaires existent des corps intermédiaires, et, là aussi, il n’y a pas une séparation nette entre le monde des comètes et celui des astéroïdes.

Enfin, le système solaire est un endroit très poussiéreux, et des poussières de quelques microns de dimension aux plus gros objets du système solaire comme Jupiter, il y a continuité aussi bien en termes de masse qu’en termes de taille ou de composition chimique.

Les planètes

Six planètes sont connues depuis les temps les plus reculés : la Terre, bien évidemment, et les cinq planètes visibles à l’œil nu que sont Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne. Trois autres ont été découvertes plus récemment : Uranus au XVIII^e siècle, Neptune au XIX^e siècle et Pluton au XX^e siècle. Huit d’entre elles ont déjà été explorées par au moins une sonde spatiale entre 1970 et 1989. Pluton ne sera approchée qu’au début du XXI^e siècle.

Figure 3 Les tailles relatives des planètes et du Soleil.

Le Soleil est environ dix fois plus gros que Jupiter et cent fois plus gros que la Terre. Sa masse est environ mille fois celle de Jupiter et environ un million de fois celle de la Terre.

La distance Terre-Soleil, égale à cent cinquante millions de kilomètres, est souvent prise comme longueur de référence dans le système solaire pour éviter d’additionner les milliers de millions à tout bout de champ et par peur de perdre un zéro à l’occasion. Par manque d’imagination, cette distance a été surnommée « l’unité astronomique ». Pour arpenter le système solaire depuis son centre, il faut donc compter 5 unités astronomiques pour atteindre Jupiter et 31 unités astronomiques pour rejoindre Neptune qui détiendra le record de distance jusqu’en 1999. Cet honneur reviendra ensuite à Pluton qui se déplace sur une orbite excentrique et inclinée de 17 % par rapport à l’équateur du Soleil et dont la distance au Soleil varie entre 29,7 et 49,5 unités astronomiques. Toutes les autres planètes se déplacent sur des trajectoires quasi circulaires dans le plan de l’équateur du Soleil ou dans son voisinage immédiat. Ce plan est appelé « plan de l’écliptique ».

Figure 4 La régularité des orbites planétaires.

De Vénus à Neptune, toutes les planètes sont pratiquement situées dans le plan équatorial du Soleil. Leurs plans orbitaux sont inclinés de moins de 3,5^o par rapport au plan de l’écliptique défini comme le plan de l’orbite de la Terre autour du Soleil. L’inclinaison des deux planètes extrêmes, Mercure et Pluton, est plus importante : respectivement de 7^o et de 17,2^o par rapport au plan de l’écliptique. Pour beaucoup d’astrophysiciens, Pluton est un gros astéroïde, membre de la ceinture d’Edgeworth-Kuiper, plutôt qu’une planète.

Pour l’instant, nous ne savons pas s’il existe d’autres planètes dans le système solaire malgré les fausses annonces de découverte parues régulièrement dans la presse. La dixième planète, alias planète X, défraie souvent la chronique, mais toutes les recherches d’objets se déplaçant lentement par rapport aux étoiles et susceptibles d’être une planète se sont révélées infructueuses. Elles ont cependant permis la découverte de nombreux petits corps comme des astéroïdes ou des comètes. On peut affirmer que, dans le plan de l’écliptique, il n’y a pas de planète ayant au moins la taille de Neptune jusqu’à 240 unités astronomiques, sinon elle aurait déjà été détectée dans les programmes de recherche développés dans les années 1940 et 1950. Grâce à la mesure précise de l’orbite des planètes connues, on peut affirmer qu’aucune perturbation gravitationnelle suspecte n’a été décelée. La dixième planète, si elle existe, paraît bien difficile à détecter. Elle devrait recevoir et réfléchir une lumière bien pâle du lointain Soleil et elle serait bien difficile à distinguer au milieu de milliards d’étoiles faibles dans le ciel. La planète Pluton avait été trouvée parmi vingt millions d’astres, étoiles pour la plupart, plus brillants qu’elle ! Il est douteux que la découverte accidentelle d’une grosse planète puisse se reproduire comme dans le cas d’Uranus : un objet lointain, bien au-delà de Pluton, ne se distinguerait pas d’une étoile, et un objet plus proche aurait déjà été détecté depuis longtemps par les perturbations qu’il imposerait aux mouvements d’Uranus et de Neptune.

Un faible espoir demeure pourtant grâce aux sondes Pioneer 10 et 11 et Voyager 1 et 2 qui quittent actuellement le système solaire. Si le hasard de leur route les conduisait à passer au voisinage d’une nouvelle planète, une déviation de leur trajectoire pourrait être observée, mais la probabilité d’un tel événement paraît bien faible ! Ces quatre sondes, parties à la recherche de la limite entre le milieu interplanétaire et le milieu interstellaire, continuent à émettre des signaux audibles quoique de plus en plus faibles. Elles s’éteindront les unes après les autres, et nous perdrons le contact après 2015. Elles deviendront alors, pendant des milliards d’années, des « bouteilles à la mer » contenant un bref message des terriens du XX^e siècle offert à la sagacité d’extraterrestres d’autres rivages.

Les planètes telluriques

On peut distinguer deux catégories de planètes : les planètes terrestres ou telluriques ou encore internes — Mercure, Vénus, la Terre et Mars — et les planètes géantes ou externes, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Cette répartition est simple à comprendre. Dans un gaz, les atomes ou molécules qui le composent s’agitent en tous sens à grande vitesse, d’autant plus vite que la température est élevée. C’est ainsi que les molécules d’azote et d’oxygène que vous respirez à l’instant s’agitent à 1 8...

Table des matières

• Couverture
• Titre
• Copyright
• Dédicace
• Avant-propos
• Chapitre premier - Contes et légendes
• Première partie - Les archéologues du ciel
• Deuxième partie - Un scénario de nos origines
• Troisième partie - La suite de l’histoire
• Raison ou déraison ?
• Annexes
• Appendice
• Remerciements
• Table
• Cahier-photos