Pourquoi La Terre Est-Elle L’Élément Le Plus Dense De Notre Système Solaire ?

De toutes les planètes, naines, lunes, astéroïdes et autres dans le système solaire, un seul élément peut être le plus dense. On pourrait penser que les éléments les plus massifs comme Jupiter ou même le Soleil sont les plus denses, mais ils représentent en réalité moins d’un quart de la densité de la Terre. La science nous explique pourquoi. 

Vous pourriez suivre un chemin différent et penser que les mondes qui sont faits de la plus grande proportion des éléments les plus lourds seraient aussi les plus denses. Mais si c’était le cas, Mercure serait le monde le plus dense, et ce n’est pas le cas. À la place, de tous les grands objets connus du système solaire, la Terre est le plus dense de tous. 

La densité est l’une des propriétés non fondamentales les plus simples de la matière que l’on puisse imaginer. Chaque objet existant, du microscopique à l’astronomique, possède une certaine quantité d’énergie au repos qui lui est intrinsèque : ce que nous appelons communément la masse. Ces objets occupent également une certaine quantité d’espace en trois dimensions : c’est ce que nous appelons le volume. La densité n’est que le rapport de ces deux propriétés : la masse d’un objet divisée par son volume.

Notre système solaire lui-même s’est formé il y a environ 4,5 milliards d’années de la même façon que tous les systèmes solaires : à partir d’un nuage de gaz dans une région de formation d’étoiles qui s’est contracté et s’est effondré sous l’effet de sa propre gravité. Récemment, grâce à des observatoires tels que l’ALMA (Atacama Large Millimetre/submillimetre Array), nous avons pu pour la première fois imager et analyser directement les disques protoplanétaires qui se forment autour de ces étoiles naissantes.

Certaines des caractéristiques d’une telle image sont frappantes. Vous pouvez voir un grand disque étendu autour d’une étoile en formation : la matière qui donnera naissance aux planètes, aux lunes, aux astéroïdes, à une ceinture extérieure (de type Kuiper), etc. Vous pouvez voir des trous dans le disque : des endroits où des objets massifs comme des planètes sont déjà en train de se former. Vous pouvez voir un gradient de température codé par couleur, où les régions intérieures sont plus chaudes et les régions extérieures plus froides.

Mais ce que vous ne pouvez pas voir visuellement sur une image comme celle-ci, c’est la présence et l’abondance des différents types de matériaux. Bien que des molécules complexes et même des composés organiques se retrouvent dans des systèmes comme celui-ci, trois effets importants se conjuguent pour déterminer quels éléments se retrouvent à quels endroits du système solaire.

Le premier facteur est la gravitation, qui est toujours une force d’attraction. Dans un disque de matière composé de minuscules particules, celles qui sont les plus proches de l’intérieur du disque vont tourner autour du centre du système solaire à des vitesses légèrement plus élevées que celles qui sont un peu plus éloignées, provoquant des collisions entre les particules lorsqu’elles se croisent dans cette danse orbitale.

Là où des particules légèrement plus grandes se sont déjà formées, ou là où des particules plus petites se collent les unes aux autres pour en former de plus grandes, la force gravitationnelle devient légèrement plus importante, car le fait d’avoir une région surdense attire préférentiellement de plus en plus de la masse environnante. Sur des milliers, des millions, voire des dizaines de millions d’années, cela conduira à la formation de planètes en fuite à l’endroit où la masse s’est accumulée le plus rapidement.

Le second facteur est la température de l’étoile centrale, qui évolue de sa pré-naissance en tant que nuage moléculaire, en passant par sa phase de proto-étoile, jusqu’à sa longue vie d’étoile à part entière. Dans la région intérieure la plus proche de l’étoile, seuls les éléments les plus lourds peuvent survivre, car tout le reste est trop léger pour être séparé par la chaleur et le rayonnement intenses. Les planètes les plus intérieures seront faites uniquement de métaux.

En dehors de cela, il y a une ligne de gel (sans glaces volatiles à l’intérieur mais avec des glaces volatiles au-delà), où nos planètes terrestres se sont toutes formées à l’intérieur de la ligne de gel. Bien que ces lignes soient intéressantes, elles nous apprennent aussi qu’il y a un gradient de matière qui se forme dans le système solaire : les éléments les plus lourds se trouvent en plus grande proportion près de l’étoile centrale, tandis que les éléments plus lourds sont moins abondants plus loin.

Et le troisième et dernier élément est qu’il existe une danse gravitationnelle complexe qui se déroule dans le temps. Les planètes migrent. Les étoiles se réchauffent et les glaces se détachent là où elles étaient auparavant autorisées. Les planètes qui ont pu orbiter autour de notre étoile à un stade antérieur peuvent être éjectées, projetées dans le Soleil ou déclenchées pour entrer en collision et/ou fusionner avec d’autres mondes.

Et si vous vous approchez trop près de l’étoile qui ancre votre système solaire, les couches extérieures de l’atmosphère de l’étoile peuvent fournir suffisamment de friction pour déstabiliser votre orbite, en spirale dans l’étoile centrale elle-même. En observant notre système solaire aujourd’hui, 4,5 milliards d’années après sa formation, nous pouvons facilement imaginer comment les choses étaient au début. Nous pouvons dresser un tableau général de ce qui s’est passé pour créer les choses telles qu’elles sont aujourd’hui.

Mais il ne nous reste que les survivants. Ce que nous voyons suit un schéma général qui est très cohérent avec l’idée que nos huit planètes se sont formées à peu près dans l’ordre où elles se trouvent aujourd’hui : Mercure comme monde intérieur, suivie de Vénus, de la Terre, de Mars, de la ceinture d’astéroïdes, puis des quatre géantes gazeuses ayant chacun leur propre système lunaire, de la ceinture de Kuiper, et enfin du nuage d’Oort.

Si tout était basé uniquement sur les éléments qui les composent, Mercure serait la planète la plus dense. Par rapport à tout autre monde connu du système solaire, Mercure a une proportion plus élevée d’éléments qui figurent dans le tableau périodique. Même les astéroïdes qui ont fait bouillir leurs glaces volatiles ne sont pas aussi denses que Mercure ne l’est à partir des seuls éléments. Vénus est en 2^e position, la Terre est 3^e, suivie de Mars, de quelques astéroïdes, puis de la lune la plus intérieure de Jupiter : Io.

Mais ce n’est pas seulement la composition des matières premières d’un monde qui détermine sa densité. Il y a aussi la question de la compression gravitationnelle, qui a un effet d’autant plus important sur les mondes que leur masse est importante. C’est un sujet sur lequel nous avons beaucoup appris en étudiant les planètes au-delà de notre propre système solaire, car elles nous ont appris ce que sont les différentes catégories d’exoplanètes. Cela nous a permis de déduire quels sont les processus physiques en jeu qui conduisent aux mondes que nous observons.

Si vous êtes en dessous de deux masses terrestres, vous serez une planète rocheuse, semblable à la Terre, avec des planètes de plus grande masse subissant une plus grande compression gravitationnelle. Au-dessus, vous commencez à vous accrocher à une enveloppe de matière gazeuse, qui « gonfle » votre monde et diminue énormément sa densité à mesure que vous augmentez en masse, ce qui explique pourquoi Saturne est la planète la moins dense. Au-delà d’un autre seuil, la compression gravitationnelle reprend le dessus ; Saturne a 85% de la taille physique de Jupiter, mais seulement un tiers de sa masse. Et au-delà d’un autre seuil, la fusion nucléaire s’allume, transformant une planète en devenir en une étoile.

Si nous avions un monde comme Jupiter qui était assez proche du Soleil, son atmosphère serait dépouillée, révélant un noyau qui serait certainement plus dense que toutes les planètes de notre système solaire actuel. Les éléments les plus denses et les plus lourds s’enfoncent toujours dans le noyau lors de la formation des planètes, et la gravitation comprime ce noyau pour qu’il soit encore plus dense qu’il ne l’aurait été autrement. Mais nous n’avons pas un tel monde dans notre cour.

À la place, nous avons juste une planète terrestre relativement lourde et rocheuse : La Terre, le monde le plus lourd de notre système solaire sans grande enveloppe gazeuse. En raison de la puissance de sa propre gravitation, la Terre est comprimée de quelques pour cent par rapport à ce que sa densité aurait été sans une telle masse. La différence est suffisante pour surmonter le fait qu’elle est faite d’éléments globalement plus légers que Mercure (de l’ordre de 2 à 5 %) pour la rendre environ 2 % plus dense que Mercure dans son ensemble.

Si les éléments dont vous êtes faits étaient les seuls à avoir de l’importance pour la densité, alors Mercure serait sans aucun doute la planète la plus dense du système solaire. Sans un océan ou une atmosphère de faible densité, et faite d’éléments plus lourds sur le tableau périodique (en moyenne) que tout autre objet de notre voisinage, elle serait la plus remarquable. Et pourtant, la Terre, presque trois fois plus éloignée du Soleil, faite de matériaux plus légers, et dotée d’une atmosphère substantielle, grince en avant avec une densité supérieure de 2 %.

L’explication ? La Terre a une masse suffisante pour que son autocompression due à la gravitation soit importante : presque aussi importante que ce que vous pouvez obtenir avant de commencer à vous accrocher à une grande enveloppe volatile de gaz. La Terre est plus proche de cette limite que tout autre objet de notre système solaire, et la combinaison de sa composition relativement dense et de son énorme auto-gravité, puisque nous sommes 18 fois plus massifs que Mercure, nous place seuls comme l’objet le plus dense de notre système solaire.

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