I1 : Formation et début de l'évolution des systèmes planétaires
La plupart des planètes du système solaire étaient connues des civilisations anciennes il y a des milliers d’années et les principes physiques à l’origine de leurs mouvements dans le ciel sont connus depuis des centaines d’années. Cependant, malgré des dizaines d’années de recherche moderne, incluant des observations télescopiques et des visites proches de sondes spatiales, la façon dont le Système Solaire s’est formé, et la manière dont laquelle les planètes actuelles ont évoluées à partir de poussières stellaires sont encore méconnues. Il est non seulement frustrant de ne pas savoir répondre à de simples questions sur notre Systèmes Solaires mais nous sommes maintenant confrontés à l’observation de nouveaux de systèmes planétaires entourant d’autres étoiles, dont la plupart sont très différents du nôtre.
Aujourd'hui, il est généralement admis que les planètes se sont formées par un processus d’accrétion hiérarchique à partir de poussières jusqu’à des tailles planétaires. L'accumulation de gaz par des instabilités gravitationnelles, les collisions entre les objets solides, et les résonances orbitales sont tous des processus connus pour jouer un rôle important lors de la formation de de notre Système Solaire. Le plus ancien de ces processus ne sont plus actifs aujourd'hui, mais leurs conséquences pourrais-être détectables dans d'autres systèmes planétaires jeunes grâce à l’observation par des caméras de haute précision, telles que celles qui seront installées sur le télescope spatial JWST (James Webb Telescope). Cependant, même les observations les plus précises depuis l'espace ne seront pas en mesure de résoudre toutes nos questions, et des outils de modélisation physique, tels que des simulations numériques sophistiquées et des mesures en laboratoires seront nécessaires.
Dans le premier million d’années de la formation planétaires les grains et le gaz du disque protoplanétaire se sont condensés pour former les premiers solides, dont les météorites sont le témoignage. Dans les météorites actuelles, nous avons la signature de ces processus primordiaux qui nous permettent de comprendre les conditions physiques de la formation des planètes : il y avait un disque chaud dans la region terrestre, chauffé par l’étoile et par la turbulence, qui a évolué rapidement pour donner naissance aux planètes et à leurs satellites. Or les conditions dans lesquelles se sont formées les planètes et les météorites sont mal connues. Le Soleil était-il plus brillant qu’aujourd’hui ? Y-avait-il de l’eau au niveau de la Terre ? Où ont été formés les premiers minéraux ? Comment a été la matière a-t-elle été transportées ? Toutes ces questions sans réponse nécessitent des modélisations numériques de la nébuleuse protosolaire et des expériences confrontées aux expériences de laboratoire pour comprendre les phases primordiales de la formation planétaire. L’observation des disques protoplanétaires et d’exoplanètes à l’aide du JWST donneront des contraintes critiques sur les processus de formation planétaire.
La fin de l’accrétion planétaire a été dominée par les collisions géantes de haute énergie entre embryons planétaires. Le système Terre-Lune est été probablement crée par une collision de deux embryons planétaires où le corps ayant impacté la proto-Terre était peut-être aussi grand que Mars. A l’issue de cet impact de grandes quantités de matière projetées en orbite autour de la Terre se sont réaccumulées pour finalement former la Lune. Depuis sa formation l'activité géologique interne de la Lune a été relativement calme, cela fait donc d’elle un endroit idéal pour étudier les processus précoces de formation du système solaire. L'énergie libérée par cette collision a-t-elle été suffisante pour fondre les deux corps parents et former des «océans de magma» d’une centaine de kilomètres de profondeur? Pourquoi la composition de la Lune est-elle presque identique à celle de la Terre pour certains éléments, mais pas pour d'autres? Les réponses à ces questions ne sont pas seulement utiles pour comprendre comment notre planète s'est formée, mais aussi elles donneront des indices importants pour la compréhension des processus généraux de formation des satellite et des planètes dans le Système Solaire.
La surface de la Lune a aussi enregistré les impacts dus aux corps orbitant dans l'environnement terrestre. C'est grâce à la datation des échantillons d'Apollo associés aux bassins d'impact géants que le concept d'un «bombardement tardif» est né (c'est à dire, un pic dans le taux de cratérisation qui apparait quelques centaines de millions d'années après la formation de notre système solaire). Mais cet enregistrement concerne aussi les périodes plus récentes. Elle détient donc les clés susceptibles de nous aider à comprendre les processus collisionnels et dynamiques qui agissent dans la ceinture d'astéroïdes et comment ils ont évolués au cours du temps. Étant donné que la Lune n'as pas de météo comme la terre, beaucoup de ses cratères d'impact sont quasi-intactes et l’étude de leur forme et de leurs propriétés physiques nous permettrons de mieux comprendre l’histoire dynamique du Système Solaire.
Les progrès sur toutes ces questions seront faits en mettant en œuvre une approche multidisciplinaire impliquant des chercheurs du laboratoire AIM (Astrophysique Instrumentation Modélisation) et de l'Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP). Au sein de ce projet, nous étudierons la formation des premiers solides dans les systèmes planétaires en utilisant des simulations numériques de la nébuleuse protoplanétaire qui seront confrontées aux des expériences de laboratoire d’irradiation et d’enrichissement en gaz rares. Nous allons enquêter sur l'origine des systèmes planétaires également à l’aide de la caractérisation des exoplanètes. Enfin, nous allons enquêter sur l'origine de la Lune, son évolution rapide, et le processus de formation de cratères d'impact dans notre système solaire.
Personnels permanents
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Sébastien Charnoz Astrophysique Interactions Mulit-échelles (AIM) |
Univ Paris Diderot |
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Pierre-Olivier Lagage Astrophysique Interactions Mulit-échelles (AIM) |
CEA Saclay |
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Philippe Lognonné Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) |
Univ Paris Diderot |
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Chloé Michaut Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) |
Univ Paris Diderot |
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Manuel Moreira Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) |
IPGP |
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Mark A. Wieczorek Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) |
Univ Paris Diderot |
Post docs et étudiants de thèse
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Katarina Miljković (post doc) Institut de Physique du Globe de Paris |
Univ Paris Diderot |
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Matthieu Laneuville (étudiant de thèse) Institut de Physique du Globe de Paris |
Univ Paris Diderot |
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Clément Thorey (étudiant de thèse) Institut de Physique du Globe de Paris |
Univ Paris Diderot |
Suivi de la première phase de la formation des planètes: Les premiers solides
Le laboratoire AIM (Astrophysique Interactions Multi-Échelle) est impliqué dans plusieurs programmes infrarouge (comme le VLT / VISIR) et auront une garantie de temps sur le spectro-imageur et coronographe (MIRI) sur l'avenir télescope spatial James Webb (JWST). Images de disques protoplanétaires entourant des étoiles jeunes (<107 ans) va révéler les premières phases de la formation des planètes. Les distributions spatiales et la taille de la poussière (les premiers solides) sont affectés par la formation continue planète, et à partir de ces observations principales questions pourront être abordées à propos de l'évolution des propriétés du disque et comment l'dépendre de l'âge et de la métallicité stellaire. Planètes incorporé dans leurs disques seront directement imagés et leurs interactions seront étudiées directement.
Plus près de nous, le disque protoplanétaire ancienne de notre système solaire a laissé une foule de renseignements fossiles enfouis dans les matériaux solides qui composent notre système planétaire. Les mesures en laboratoire isotopiques (avec des spectromètres de masse et des sondes ioniques) dans les météorites, comètes et autres matériaux planétaires donner de précieux contraintes chronologiques sur la formation des premiers solides (CAI, chondres). L'utilisation des éléments radioactifs de courte durée de vie permet une chronologie très fine de ces objets (par exemple 26Al). Chronologie des marqueurs pouvez également limiter l'importance du retraitement des premiers embryons planétaires dans la formation des embryons à un stade avancé et plus. Comment a été traitée la poussière pendant les premiers millions d'années n'est pas claire. Le vent solaire et l'irradiation peut avoir modifié la chimie et les signatures isotopiques des grains pré-solaires et les solides formés in situ. Des mesures isotopiques (oxygène, gaz rares, de courte durée isotopes radiogéniques) peut également caractériser les différents corps à partir de laquelle les planètes telluriques ont été assemblés et fournir des indices sur l'origine de leurs matières volatiles. Le couplage de ces résultats avec des simulations numériques de la formation des planètes est fondamentale à une meilleure compréhension de l'évolution des systèmes planétaires.
Le laboratoire AIM dirige l'élaboration d'un programme de modélisation à grande mettant l'accent sur 1) le transport des premiers solides dans le disque protoplanétaire et leur incorporation dans des embryons, y compris la dynamique turbulente, effets radiatifs, et planète-disque interactions. Chimie seront inclus dans les codes N-corps de transport de la poussière. Nous allons interpréter les données d'imagerie du télescope en terme de structures de disques 3D. Nous interpréterons des abondances isotopiques dans les météorites de vérifier si le transport dynamique est possible des différents réservoirs (région comète, région solaire, source extrasolaire, photosphère disque) à la zone de planète terrestre et si la Terre a accumulée à partir d'embryons locales ou d'organismes répartis dans le disque.
Détection des exoplanètes
La détection et l'imagerie directe des exoplanètes avec le télescope spatial James Webb représenteront une grande avancée dans notre compréhension de la formation des planètes. Les super-terres seront détectées au cours de leur transit, ce qui permettra de fournir la taille et l'orbite de la planète ainsi qu'un accès direct à l'atmosphère de l'exoplanète, ou de sa surface, par le biais de mesures spectroscopiques. La surface de ces planètes sera donc caractérisée et donnera des contraintes importantes sur leur processus de formation. Plus éloignés de l'étoile (> 10 UA), les exoplanètes de type géantes gazeuses et le disque stellaire sont aussi à la portée de l'imagerie directe. Ces observations fourniront des données directes sur l'interaction des jeunes planètes avec leurs disques. Si le système est jeune (< 10 Ma) les processus de migration pourront être contraints, ainsi que les processus de formation des satellites. Si le système est plus âgé (> 10 Ma), le disque peut être semblable à la ceinture de Kuiper et les modèles d'évolution de la ceinture pourront être testés et comparés à notre système solaire.
Un important programme de simulation numérique sera implémenté, principalement sous la forme de codes N-corps, afin de simuler l’assemblage des planètes à partir d'embryons et de suivre l’évolution de leur composition chimique de base, qui est pertinente pour les étapes de milieu et de fin de formation de la planète. Les interactions avec le disque environnant pourront être incluses sous la forme d'algorithmes de particules test pour le disque de débris ou sous la forme d'un disque gazeux eulérien. Dans ce dernier cas, un effort portera sur une modélisation appropriée des effets radiatifs, afin d'aller au-delà des modèles de disque locaux de type isothermes.
Origine et évolution précoce de la Lune
Le système Terre-Lune est unique parmi les planètes telluriques et fournit de précieux indices sur l'origine et l'évolution précoce de notre système solaire. Les analyses des données lunaires ont non seulement donné naissance au modèle que la Terre et la Lune ont formé en même temps lors d'un choc entre la proto-Terre et un grand planetessimal, mais aussi que les planètes terrestres peut-être formé avec un globe encerclant d'un océan de magma. Ce sont des données de la Lune qui ont quantifié les conséquences des événements d'impact dans l'histoire de début du système solaire, a donné lieu à une technique de datation basée sur les cratères de comptage, et a engendré l'idée qu'un "bombardement tardif" des astéroïdes et des comètes ont pu affecter catastrophique toutes les planètes environ 4 milliards d'années.
L'Institut de Physique du Globe (IPGP) a une expertise reconnue internationalement en géophysique planétaire et est activement impliqué dans plusieurs mission lunaires passés, présents et à venir. Une mission, GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory) a fait des mesures à haute résolution du champ de gravité de la Lune, qui fournit des indices importants concernant la structure intérieure et l'histoire de bombardement de cet objet. D'autres missions qui sont activement étudiées comprennent un mission échantillon-retour de NASA, et une station géophysique du Japon (SELENE-2). En outre, une mission de placer deux atterrisseurs sur la face cachée de la lune (Farside Explorer) aux fins de la géophysique, de la radioastronomie, de la géochimie, et le bombardement d'impact, est activement développée par notre groupe.
Une activité à long terme de recherche à IPGP a été l'utilisation de données sismiques d'Apollo pour étudier la structure et la composition de la croûte, du manteau, et du noyau lunaire. Ces études imposer des contraintes importantes sur l'impact de formation de la couple Terre-Lune, la différenciation primaire, la formation d'un noyau, la cristallisation d'un océan de magma, et le fonctionnement des dynamos planétaires. Une autre activité à long terme et l'utilisation de la gravité, de la topographie et des données de télédétection pour étudier de grandes structures d'impact et de contraindre l'origine et l'évolution de la croûte. Plus récemment, nos activités lunaires sont élargies pour inclure le transport du magma et les processus éruptifs, magnétisme crustal, et des asymétries dans le taux de cratèrisation lunaire. Le laboratoire AIM fournit une expertise complémentaire dans la formation des satellites planétaires.
Ce thème de recherche a de nombreux objectifs, notamment de mieux comprendre la structure et la composition de l'intérieur de la Lune, de mieux contraindre l'événement qui a formé le système Terre-Lune, à déchiffrer l'évolution thermique et magmatique de la Lune, de mieux contraindre l'histoire de cratèrisation de la Lune et des planètes terrestres, et d'améliorer la technique de datation par le comptage de cratères. Nous prévoyons non seulement analyser les données des missions spatiales passées et à venir, mais en collaboration avec l'IMCCE, Uranoscope, et l'Observatoire Midi-Pyrénées, l'IPGP va également créer un réseau mondial d'observation pour la détection d'éclats de impacts météoritiques sur la Lune. En plus de nos études portant sur le système Terre-Lune, nos résultats se révélera crucial pour la compréhension des processus qui ont une incidence sur les autres planètes terrestres et satellites glacés du système solaire externe.
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