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Pour découvrir les origines de la Terre, les scientifiques doivent regarder au-delà

Les grands mystères de l'univers tournent souvent autour de phénomènes lointains et invisibles. Les scientifiques déconcertent les éclats d'ondes radio inexplicables, la nature insaisissable de la gravité et le fait que l'énergie sombre envahisse le cosmos. Mais d'autres énigmes peuvent être trouvées dans notre propre coin de la galaxie, nous regardant droit dans les yeux - comme la façon dont la Terre est devenue la planète qu'elle est aujourd'hui.

Cette question continue de fasciner les chercheurs qui travaillent à comprendre comment la Terre s'est formée et pourquoi elle est si bien adaptée à l'hébergement de la vie. Cela aurait pu se passer différemment - il suffit de regarder notre voisine la plus proche et presque jumelle, Vénus, qui n'a pas d'eau liquide et dont la surface est d'une température étouffante de 870 degrés Fahrenheit. «Vénus et la Terre sont en quelque sorte le meilleur des cas de contrôle», déclare Sue Smrekar du Jet Propulsion Laboratory de la NASA. "Nous ne comprenons pas vraiment comment la Terre est devenue si habitable et si Vénus est si inhabitable."

C'est un peu surprenant, étant donné que la Terre est de loin la planète la mieux étudiée de l'univers. Mais des processus géologiques tels que la tectonique des plaques recyclent constamment les preuves du passé, et une grande partie des informations critiques sur la composition de la Terre se cache dans ses vastes profondeurs inaccessibles. «Vous essayez de comprendre une planète que vous ne pouvez échantillonner qu'à la surface», explique James Badro, géophysicien à l'Institut de physique de la Terre à Paris. Bien que les scientifiques aient acquis une mine de connaissances en étudiant le sol sous nos pieds, l’histoire complète de la construction et de l’évolution de la Terre reste inconnue.

Les chercheurs se sont donc tournés vers le ciel pour demander de l'aide. Ils ont étudié d'autres systèmes stellaires à la recherche d'indices et ont recherché les éléments constitutifs de la Terre parmi les détritus du système solaire. Désormais, une série de missions spatiales planifiées et proposées pourrait aider les scientifiques à compléter davantage les éléments manquants.

De l'étude de nouveaux aspects des corps protoplanétaires à la découverte de leur origine et de la manière dont ils se sont mélangés, les chercheurs espèrent identifier les processus de formation planétaire qui ont créé la Terre. Pour beaucoup, c'est autant une quête philosophique que scientifique. «C'est une question de nos origines», dit Badro.

Vue d'artiste d'une proposition de mission sur Psyché, un astéroïde supposé être entièrement en métal. Vue d'artiste d'une proposition de mission sur Psyché, un astéroïde supposé être entièrement en métal. (NASA / JPL-Caltech)

La plupart des chercheurs s'accordent maintenant sur l'histoire générale de notre système solaire. Cela a commencé il y a 4, 6 milliards d'années, lorsqu'un vaste nuage de gaz et de poussière flottant dans l'espace s'est effondré sur lui-même, peut-être provoqué par l'onde de choc d'une supernova à proximité. Le nuage aplati tourbillonnait alors dans un disque en rotation d'où - environ 100 millions d'années plus tard - notre système solaire apparut plus ou moins dans son état actuel: le soleil entouré de huit planètes et d'innombrables petits corps éparpillés.

Les détails les plus fins sur la formation de notre voisinage cosmique restent toutefois controversés. Par exemple, les scientifiques continuent de débattre de la composition des planètes. "Nous savons à quoi ressemble le gâteau", déclare Lindy Elkins-Tanton de l'Arizona State University, "mais nous aimerions savoir à quoi ressemblent tous ces ingrédients, " dit-elle.

Les scientifiques pensent que les planètes terrestres se sont développées en engloutissant des planétésimaux plus petits, des objets atteignant des dizaines de kilomètres de diamètre qui se sont accumulés à partir de la poussière protoplanétaire. Mais la composition et la structure de ces planétésimaux ont été difficiles à déterminer. L’étude de notre collection de météorites - des fragments d’astéroïdes tombés au sol - est un bon point de départ, déclare Francis Nimmo, scientifique en sciences planétaires à l’Université de Californie à Santa Cruz. Mais ça ne suffit pas.

En effet, nous ne disposons pas nécessairement d'échantillons de tout ce qui est entré dans les planètes. Certains composants sont peut-être manquants ou peuvent ne plus exister du tout. Certaines météorites semblent bien correspondre à la Terre, mais les scientifiques ne peuvent proposer aucune combinaison de types de météorites qui explique pleinement la composition chimique de la Terre. «C'est un peu inconfortable parce que cela signifie que nous ne savons pas vraiment comment la Terre a été construite», dit Nimmo.

Elkins-Tanton espère qu'une future mission proposée - l'un des cinq finalistes du programme Discovery de la NASA - pourra peut-être aider. Le projet, dirigé par Elkins-Tanton, enverrait un vaisseau spatial non habité visiter un objet appelé Psyché, situé dans la ceinture d'astéroïdes entre Mars et Jupiter. La psyché a une largeur d'environ 150 milles et, d'après des observations à distance de sa densité et de sa composition de surface, semble être faite de métal solide. Cela peut aussi ressembler aux blocs de construction de la Terre.

"Cela pourrait être le petit noyau d'un corps qui a été formé dans la région de formation de la planète terrestre et vient d'être touché par beaucoup d'autres choses et dont son extérieur rocheux a été enlevé", dit Elkins-Tanton. Lors de la mission Dawn de la NASA, les scientifiques ont étudié l'astéroïde Vesta, une protoplanète qui s'est probablement également formée près de la Terre et qui a ensuite été expulsé dans la ceinture d'astéroïdes. Cependant, c’est l’occasion unique de voir ce qui se cache sous la surface d’objets comme Vesta qui excite Elkins-Tanton.

«La psyché est le seul corps du système solaire qui nous permet d’observer directement un noyau métallique», dit-elle. "Cela pourrait être notre seule chance d'examiner ce genre d'ingrédients." Avec les autres finalistes de Discovery, Elkins-Tanton et ses collègues découvriront en septembre si la mission est lancée.

Selon le modèle classique de la formation planétaire, une fois que les planétésimaux ont atteint la taille de Psyché, ils ont commencé à cannibaliser leurs voisins, explique Kevin Walsh, spécialiste en sciences planétaires au Southwest Research Institute de Boulder, au Colorado. «Les plus gros croissent très vite», dit-il, grâce à leur influence gravitationnelle croissante.

Ce processus d'accumulation précipitée aurait transformé le nombre de corps dans le système solaire en une centaine d'embryons planétaires allant de la lune à la planète Mars, ainsi qu'une poignée de plus petits débris. Au fil du temps, ces embryons se sont lentement combinés pour former des planètes.

Mais si cette explication fonctionne bien pour les planètes terrestres, ce que la géologie suggère d’être formée au cours de 30 à 100 millions d’années, elle pose un problème aux géants gaziers tels que Jupiter. Les scientifiques pensent que les noyaux de ces corps ont dû grandir beaucoup plus rapidement, assez rapidement pour capter leur atmosphère massive du gaz présent dans le système solaire primitif, qui s'est dissipé en quelques millions d'années seulement.

Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont mis au point un mécanisme alternatif pour la croissance des planètes, appelé accrétion de galets. Cela représente une différence radicale par rapport au modèle conventionnel de l'accrétion, dans lequel les objets se combinaient pour former des particules de plus en plus grosses. Ou, comme le dit le collègue de Walsh, Hal Levison: «Les cailloux font des rochers, et les rochers font des montagnes, tout en haut." presque immédiatement et ensuite continuer à gagner de la masse, dit Levison, qui a aidé à développer l'hypothèse.

Le processus aurait commencé peu de temps après la formation du disque protoplanétaire, lorsque des particules de poussière autour du jeune soleil ont commencé à se coller et à se coller, comme si des patineurs synchronisés joignaient leurs mains tout en faisant le tour d’une patinoire. Finalement, les forces aérodynamiques et gravitationnelles auraient rapproché de grandes grappes de ces cailloux pour former des planétésimaux. Les planétésimaux ont ensuite continué à balayer les cailloux restants autour d'eux, grossissant rapidement jusqu'à former des planètes.

En plus de répondre à la question de savoir comment les géantes gazeuses se sont développées si rapidement, le modèle fournit également un moyen de surmonter ce que l’on appelle la barrière de la taille d’un mètre, qui gêne les modèles d’accrétion planétaire depuis sa création dans les années 1970. Cela fait référence au fait qu'une fois que les objets atteignent un mètre de diamètre, les frictions générées par le gaz environnant les auraient envoyés en spirale au soleil. L’accrétion de galets aide à faire tomber les petites particules au-dessus du seuil, les rendant assez grosses pour tenir le coup.

Les scientifiques essaient encore de comprendre si ce processus s’est produit dans l’ensemble du système solaire et s’il aurait eu le même effet sur les planètes intérieures et extérieures. (Bien que cela fonctionne pour les géantes gazeuses, les derniers stades de la croissance rapide ne correspondent pas à ce que nous savons de la formation de la planète terrestre). Les chercheurs trouveront peut-être des indices plus tard cette année lorsque la mission Juno de la NASA, qui a atteint Jupiter le mois dernier, a commencé à recueillir des informations sur la composition et le noyau de la planète.

Walsh estime que déterminer la quantité de matière qui se trouve au centre de la géante gazeuse aidera les chercheurs à limiter différents modèles d’accrétion planétaire. Si Jupiter a un petit noyau, l'accrétion classique aurait pu être capable de le construire assez rapidement. si c'est grand, cela pourrait impliquer que quelque chose comme une accumulation de galets a eu lieu à la place, dit-il.

Jupiter et ses lunes Io, Europa et Ganymede ont été photographiées par la mission Juno peu après que le satellite soit entré en orbite autour de la géante gazeuse. Jupiter et ses lunes Io, Europa et Ganymede ont été photographiées par la mission Juno peu après que le satellite soit entré en orbite autour de la géante gazeuse. (NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS)

Comprendre comment Jupiter s'est formée aidera également les chercheurs à comprendre les origines des autres planètes, y compris la Terre. C'est parce que Jupiter a été accusé d'ingérence dans la construction des planètes rocheuses intérieures, du moins selon une nouvelle idée développée par Walsh et d'autres, qui a gagné du terrain ces dernières années.

L’hypothèse, connue sous le nom de modèle Grand Tack, suggère que, une fois la formation terminée, Jupiter aurait nettoyé tout le matériel qui se trouvait sur son passage autour du soleil, créant ainsi une faille dans le disque protoplanétaire. Le disque, cependant, contenait toujours beaucoup de gaz et de poussière, qui se sont pressés vers le soleil alors que le disque s’aplatissait et s’étirait, dit Walsh.

L’écart de Jupiter a effectivement bloqué le flux de ce matériau, et la planète a été «prise dans les eaux de crue», dit Walsh. Il a migré vers l’orbite de Mars avec Saturne sur ses talons. Mais au fur et à mesure que Saturne suivait, il y avait assez de matériel pour reconnecter le disque. Cela relâcha la pression qui s'exerçait sur Jupiter, permettant ainsi aux deux planètes de migrer à nouveau, le tout en l'espace de quelques centaines de milliers d'années. Le modèle a été inspiré par des observations de planètes étrangement ordonnées dans d'autres systèmes solaires qui suggèrent que de telles migrations sont courantes, dit Walsh.

Pour le reste du système solaire, cela aurait ressemblé à une paire de taureaux dans un magasin de porcelaine cosmique. Des fragments de débris du système solaire interne auraient été éjectés, tandis que l'encombrement du système externe aurait été entraîné, a déclaré Walsh. Le modèle aide à expliquer les dimensions de la taille de la planète Mars et le nombre et la diversité des corps que l'on trouve aujourd'hui dans la ceinture d'astéroïdes.

Il fournit également une explication possible de la façon dont les planètes terrestres ont obtenu leur eau. Selon Grand Tack, la migration de gaz de la planète gazeuse aurait eu lieu alors que les planètes terrestres étaient encore en formation et aurait pu jeter dans le mélange des matériaux riches en eau provenant du système solaire externe. Walsh et de nombreux autres scientifiques pensent que les astéroïdes carbonés, qui pourraient s'être formés au-delà de Jupiter, ont été le principal moyen de fournir de l'eau à la Terre.

En septembre prochain, la NASA lancera une mission pour rendre visite à un de ces astéroïdes nommé Bennu. Walsh est un co-investigateur du projet, appelé OSIRIS-REx, qui étudiera le corps de loin avant de prélever un échantillon à ramener sur Terre. Hayabusa 2, une agence similaire de l'agence spatiale japonaise, est sur le point de tester un autre astéroïde carboné en 2018.

Les scientifiques espèrent en savoir plus sur la provenance de ces astéroïdes et s’ils sont en réalité à l’origine d’une classe de météorites appelées chondrites carbonées. Ils espèrent également que l'étude d'un échantillon vierge, plutôt que d'un fragment de météorite, permettra de déterminer si ces objets ont fourni non seulement de l'eau à la Terre, mais également des composés organiques qui auraient pu servir de précurseurs à la vie.

Alors que OSIRIS-REx revient sur Terre, il pourrait se croiser avec Lucy, une autre mission proposée qui, comme Psyché, est finaliste du programme Discovery. Dirigée par Levison, Lucy souhaite explorer le dernier grand bouleversement qui a secoué notre système solaire: un tango planétaire qui a débuté environ 500 millions d'années après le Grand Tack. C'est alors que, selon une hypothèse de Levison et d'autres, Pluton a déclenché une instabilité qui a amené Neptune à faire de la marelle à l'extérieur d'Uranus et aux géantes gazières extérieures à migrer du soleil vers leurs positions actuelles.

Cette perturbation, connue sous le nom de modèle de Nice, aurait envoyé une pluie de débris dans le système solaire interne, ce qui expliquerait peut-être un groupe d'impacts formés au cours d'une période connue sous le nom de bombardement lourd tardif. Les planètes terrestres, comme la Terre, s’étaient pour la plupart formées par ce point; Mais il a peut-être jeté un mauvais élan aux scientifiques qui tentent de comprendre comment le système solaire a évolué. La perturbation pourrait avoir projeté des objets dans le système solaire interne qui n’avaient aucun lien avec les matériaux qui constituent la majeure partie des planètes terrestres, dit Walsh.

Lucy pourrait aider les scientifiques à comprendre ce qui se passait réellement et leur permettre de démêler ce qui était mélangé où. Pour ce faire, il enquêterait sur un groupe d’astéroïdes enfermés dans l’orbite de Jupiter. Ces objets, connus sous le nom de chevaux de Troie joviens, sont un mélange de corps qui se sont formés tout au long du système solaire externe puis se sont jetés ensemble au cours de la migration.

Au milieu des années 2020, lorsque la mission les atteindra, les chevaux de Troie seront orientés dans la bonne configuration pour qu'un vaisseau spatial puisse faire un grand tour de six corps. «J'ai adoré les dieux de la mécanique céleste pendant toute ma carrière», déclare Levison, un dynamiste de la planète. "Ils ont décidé de me rembourser, car les planètes s'alignent littéralement."

Selon M. Lévison, l’étude approfondie des chevaux de Troie donnera aux chercheurs une idée plus précise de la façon dont le mélange de modèles de Nice a eu lieu et pourrait également constituer un test d’accumulation de cailloux. L’hypothèse prédit que tout ce qui est plus petit qu’environ 60 milles devrait en réalité être un fragment d’un corps plus grand. C'est une prédiction que Lucy devrait pouvoir tester.

Une impression d'artiste de la surface de Vénus, où les températures sont douces 870 degrés Fahrenheit. Une impression d'artiste de la surface de Vénus, où les températures sont douces 870 degrés Fahrenheit. (Medialab ESA / AOES)

Ensemble, ces missions semblent prêtes à permettre aux scientifiques de mieux comprendre les origines de la Terre, probablement sans que les chercheurs ne puissent même pas imaginer. Après tout, pour construire une image robuste de la formation des planètes, il est nécessaire de combiner des données provenant de nombreuses sources différentes, explique David Stevenson, spécialiste en sciences planétaires chez Caltech.

Cependant, nous avons encore beaucoup de chemin à parcourir avant de comprendre ce qui rend la Terre et Vénus si différentes. «C'est presque embarrassant d'être ici, assis sur Terre, et nous avons cette grande planète la plus proche de nous que nous ignorons tellement», dit Stevenson. "La raison pour laquelle nous sommes si ignorants est qu'il fait sacrément chaud!"

En effet, les conditions infernales sur la surface de Vénus ont contrecarré les efforts pour étudier la planète en détail. La Russie a réussi à poser une série d’engins spatiaux à la surface entre les années 1960 et 1980. Ils n'ont survécu que quelques heures et transmis de brefs éclairs de données avant de succomber à la chaleur. Mais ces missions et d’autres, comme Pioneer de la NASA et Magellan, qui a étudié la planète de loin, ont permis d’avoir un aperçu du fonctionnement de la planète.

Nous savons, par exemple, que Vénus a une atmosphère de serre intense composée presque entièrement de dioxyde de carbone et qu'elle semble avoir perdu la plus grande partie de ses eaux de surface. C'est peut-être ce qui empêche la tectonique des plaques de s'y produire - on pense que l'eau lubrifie les roues des plaques subductrices. Cela pourrait aussi expliquer pourquoi Vénus ne possède pas de champ géomagnétique, ce que de nombreux scientifiques considèrent comme une nécessité pour la vie, car il protège la planète des ravages du vent solaire. Les champs géomagnétiques sont produits par convection dans le noyau d'un corps, dit Nimmo, et dépendent de la circulation du manteau - souvent liée à la tectonique des plaques - pour évacuer la chaleur.

Les scientifiques veulent avant tout des échantillons de roches de surface de Vénus, mais cela reste un objectif lointain. Dans un avenir prévisible, les chercheurs devront se contenter d'observations plus éloignées, comme celles d'une mission japonaise actuelle. Plus tôt cette année, la navette spatiale Akatsuki a finalement commencé à relayer les données de son orbite autour de Vénus après un détour non planifié autour du soleil sur cinq ans.

En outre, la NASA envisage deux autres missions centrées sur Vénus, également finalistes de Discovery. Un projet, appelé VERITAS, est dirigé par Smrekar et impliquerait un orbiteur capable d’étudier la géologie de la planète en haute définition. La deuxième mission proposée, dirigée par Lori Glaze du Centre de vol spatial Goddard, analyserait l'atmosphère unique de Vénus à l'aide d'une sonde appelée DAVINCI.

L'espoir est que ces efforts montreront pourquoi Vénus a évolué comme elle a été, et donc, ce qui différencie la Terre. À l'heure actuelle, de nombreux chercheurs pensent que Terre et Vénus sont probablement formées à partir du même matériau, puis divergent dans le temps grâce à plusieurs facteurs. Ceux-ci incluent leur proximité différente avec le soleil et le fait que la Terre a connu une collision majeure relativement tardive dans son histoire - l'impact de la formation de la lune - qui aurait refondu une grande partie de la planète et potentiellement modifié sa dynamique.

Mais jusqu'à ce que nous en sachions plus sur la formation des planètes de notre système solaire et sur les processus qui ont façonné leur évolution, nous ne saurons pas ce qui différencie une planète hospitalière d'une planète stérile, explique Walsh. "Nous avons des télescopes dans l'espace qui chassent des planètes de la taille de la Terre autour d'autres étoiles, mais nous ne savons pas si une planète va évoluer vers une Vénus ou une Terre", dit-il. "Et c'est tout le jeu de balle, à un certain niveau."

Pour découvrir les origines de la Terre, les scientifiques doivent regarder au-delà