L'origine d'Uranus et de Neptune enfin révélée ?

Une équipe de chercheurs franco-américains, pilotée par l'institut UTINAM (CNRS/Université de Franche-Comté)¹, vient de proposer une solution au problème de la composition chimique d'Uranus et Neptune, fournissant ainsi des pistes pour comprendre leur formation. Les chercheurs se sont intéressés au positionnement de ces deux planètes, les plus lointaines du Système Solaire, et proposent un nouveau modèle expliquant comment et dans quelle zone elles se sont formées. Leurs résultats sont à paraitre le 20 septembre dans The Astrophysical Journal.

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© NASA

Uranus et Neptune vues par la mission Voyager 2 de la NASA.

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Uranus et Neptune sont les planètes les plus lointaines du Système Solaire. Elles possèdent chacune une masse d'environ quinze fois celle de la Terre, sont composées jusqu'à 90% de glace et sont riches en carbone. En raison de leurs caractéristiques particulières, la question concernant l'origine d'Uranus et de Neptune demeurait à ce jour irrésolue. Les observations du Système Solaire externe et les modèles antérieurs décrivant la formation des deux planètes ne permettaient pas d'expliquer comment celles-ci se sont formées dans la zone où elles se trouvent aujourd'hui. Située très loin du Soleil, cette zone ne contenait pas assez de blocs de construction pour former Uranus et Neptune suffisamment vite avant la dissipation de la nébuleuse primordiale. Une fois la nébuleuse dissipée, il est en effet impossible pour les deux planètes de mettre en place leurs enveloppes gazeuses.

Récemment, l'Observatoire spatial Herschel s'est intéressé à la composition isotopique d'Uranus et de Neptune et en particulier la mesure du rapport deutérium sur hydrogène (D/H). Le rapport D/H est un traceur utilisé en planétologie pour connaître l'origine des éléments ayant formés le Système Solaire. Ce rapport isotopique est très sensible à la température de la nébuleuse primordiale : il est faible à des distances proches du Soleil et augmente à des distances plus élevées. Les modèles dynamiques suggèrent qu'Uranus et Neptune se sont formés dans la même zone lointaine que les comètes, et donc devraient posséder un rapport D/H élevé. Cependant, les mesures d'Herschel montrent de manière surprenante que le rapport D/H dans les deux planètes est très inférieur à celui mesuré dans toutes les comètes.

Cette nouvelle étude résout tous ces problèmes à la fois. Le nouveau modèle proposé est basé sur des simulations détaillées de la distribution et du transport des éléments volatiles les plus abondants dans la nébuleuse primordiale du Système Solaire (H₂O, CO et N₂). Ces simulations montrent la présence de « pics » de densités de solides dans des régions où la température de la nébuleuse devient suffisamment basse pour permettre à un élément gazeux de se condenser (ou lignes de glace). Les résultats montrent que Uranus et Neptune se seraient formées au niveau de la ligne de glace du monoxyde de carbone (CO), ce qui expliquerait qu'elles soient constituées de solides riches en carbone mais appauvris en azote. L'accrétion des quantités importantes de CO avec une quantité faible de H₂O cométaire donne la valeur D/H mesuré dans l'atmosphère de ces planètes. De plus, comme la ligne de glace de l'azote se trouve légèrement plus loin, les planètes se sont alors naturellement formées appauvries en azote. Le modèle proposé fourni des abondances en carbone et en azote compatibles avec les observations,  et permet d'établir que la formation d'Uranus et de Neptune s'est faite dans cette zone lointaine.

 http://www2.cnrs.fr/presse/communique/3731.htm

Notes :

¹ L'institut UTINAM (CNRS/Université de Franche-Comté) est un laboratoire fédéré dans l'Observatoire des sciences de l'Univers THETA de Franche-Comté/Bourgogne.

Références :

The measured compositions of Uranus and Neptune from their formation on the CO iceline ; Mohamad Ali-Dib, Olivier Mousis, Jean-Marc Petit et Jonathan I. Lunine ; The Astrophysical Journal ; 20 septembre 2014.
doi:10.1088/0004-637X/793/1/9