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Planètes

par Thadeus, le 06/08/2014 à 11:48 - 2120 visites

Pourquoi les orbites des planètes de notre système solaire sont-elles toutes sur un même plan (pour l'acception géométrique du terme) ? Pourquoi ne tournent-elles pas dans des plans différents, qui bien sûr comprendraient tous le soleil ?

Réponse du Guichet du savoir

par gds_se, le 07/08/2014 à 17:12

Bonjour,

Non seulement les planètes du système solaire tournent autour du soleil mais elles tournent dans le même sens, sur le même plan et sur elles-mêmes !

Pour comprendre pourquoi les planètes tournent sur le même plan géométrique, il faut remonter à plusieurs milliards d’années !

Le Système solaire est vraisemblablement issu d'un fragment d'un vaste nuage de gaz et de poussières interstellaires (nébuleuse protosolaire). Pour des raisons mal comprises (peut-être à la suite de l'explosion de supernovae voisines), cette nébuleuse a commencé à s'effondrer sous son propre poids.

Sous l'effet de sa contraction gravitationnelle, la nébuleuse a pris progressivement la forme d'un disque aplati en rotation , où la pression, la température et la densité augmentaient du bord vers le centre. Il y a 4,6 milliards d'années, le Soleil s'est condensé dans la partie centrale de la nébuleuse, la plus chaude et la plus dense. Après l'« allumage » des réactions nucléaires au cœur du Soleil, sa luminosité a diminué et le disque de matière qui l'entourait s'est refroidi. Son environnement gazeux s'est solidifié en grains constitués, près du Soleil, d'éléments réfractaires et, plus loin, de glaces diverses.

Par accrétion progressive de matière, sous l'effet de leurs collisions mutuelles, les grains ont engendré de petits planétoïdes de dimensions kilométriques (planétésimaux). La poursuite du processus d'accrétion collisionnelle a abouti à la formation d'embryons planétaires d'environ 1 000 km de diamètre. Les embryons planétaires, par leurs interactions gravitationnelles mutuelles, ont achevé leur croissance et donné naissance aux planètes. L'ensemble du processus de formation des planètes s'est déroulé sur quelque 100 millions d'années.


(Source : Système solaire / Encyclopédie Larousse)


Le site Planet Terre revient plus en détails sur ce phénomène de création de notre système solaire :

Pourquoi les planètes tournent-elles dans le même sens autour du Soleil ?

Pour répondre à cette question, retournons à l'origine du système solaire.

Tout commence avec une nébuleuse, c'est-à-dire un nuage interstellaire de gaz (principalement composé d'hydrogène et d'hélium) et de poussières (ou grains de silicates, de glaces et de matières organiques). Le "diamètre" d'une nébuleuse standard mesure environ 5 à 500 années lumière (1 al = 63000 ua, ua : unité astronomique).

Au sein de cette nébuleuse, les zones qui atteignent une masse critique vont s'effondrer sur elles-mêmes. Un certain nombre d'amas vont ainsi se différencier, condenser puis évoluer en disques protoplanétaires dotés d'une étoile centrale. Ces disques protoplanétaires sont également nommés « proplyds » pour PROto PLanetarY DiskS . Pour donner un ordre de grandeur, on estime qu'une nébuleuse peut compter entre 1 à 500 disques protoplanétaires.

Comment passe-t-on d'une nébuleuse à un (ou plusieurs) disque(s) protosolaire(s) ?

Ne considérons que la part qui va donner un disque unique.

Si seule la force de gravitation intervenait sur la nébuleuse, et si son moment cinétique (somme de tous les moments cinétiques de ses composants) était exactement nul au départ, la contraction du nuage conduirait à une sphère étant donné que la force de gravitation est une force radiale.

Mais il n'y a aucune raison pour que cette nébuleuse soit parfaitement symétrique. Au contraire, les particules qui le composent sont animées de mouvements aléatoires et la somme des vecteurs moment cinétique de chaque particule de chaque amas n'est probablement pas exactement nulle.

L'existence d'un moment cinétique non nul pour ce nuage fait que lorsqu'il se contracte sous l'effet des forces de gravitation, un axe de rotation principal (parallèle au vecteur moment cinétique) se dégage. D'autre part, la conservation de son moment cinétique conduit à une augmentation de la vitesse de rotation des particules du nuage au fur et à mesure de sa contraction.

Cette augmentation de vitesse découle de la conservation du moment cinétique (moment angulaire) pour un système en rotation sur lequel aucune force extérieure ne s'exerce et sur lequel les forces internes (forces de gravitation ici) sont parallèles à la direction joignant les corps en interaction.

En effet, la norme de ce moment cinétique s'écrit m. v . r
avec m = masse de l'objet en rotation, v = vitesse de l'objet sur l'orbite, r = rayon de l'orbite

Lorsque le nuage se contracte, r diminue et la masse m reste constante donc pour que le moment soit conservé, la seule solution est que v augmente.

C'est le même phénomène qui explique que le patineur augmente sa vitesse de rotation sur lui-même lorsqu'il ramène ses bras contre son corps.


L'existence d'un axe de rotation privilégié, induit alors l'apparition d'une "force" centrifuge qui s'ajoute aux forces de gravitation et qui interfère sur la contraction en sphère. Ainsi, alors que le nuage se contracte, les particules présentes sur l'axe de rotation continuent à se rapprocher de la masse centrale car la force centripète est nulle pour ces particules. En revanche, pour les particules ou blocs qui ne se trouvent par sur l'axe de rotation, la force centrifuge s'oppose à leur convergence vers la protoétoile centrale. Une forme sphérique qui se contracte perpendiculairement à un axe de rotation forme un disque.

Notons également que les collisions entre poussières, blocs et planétésimaux ont également pour effet de concentrer ces éléments dans un plan se rapprochant du plan bissectrice de leur orbite, donc de les rassembler dans le plan du disque protosolaire.

Plus cette contraction se poursuit, plus le centre du nuage devient dense et chaud jusqu'à ce que la température soit suffisante pour déclencher des réactions nucléaires. Une étoile est née !

Les fortes densités et température du centre créent une pression de gaz élevée qui s'oppose aux forces de gravitation et donc à la contraction. Le gaz de l'étoile ne se contracte plus. Et l'étoile en s'allumant, émet un très fort vent de particules, qui diminue ensuite pour former ce qu'on appelle le vent solaire. Le vent initial suivi du vent solaire normal chasse assez vite le gaz, puis les poussières qui ne seraient pas accrétées en planétésimaux.

Les planètes qui se forment donc au sein de ce disque, sont constituées de l'agglomération de poussières, planétésimaux et gaz qui déjà tournaient. Elles ont donc la "quantité mouvement de rotation" somme de celles de leurs composants, tournent donc autour du Soleil selon le sens de rotation d'ensemble de la nébuleuse initiale ou, plus précisément, ce sens de rotation initial dépend du vecteur moment cinétique de la nébuleuse initiale, qui dépend de l'orientation du vecteur moment cinétique initial.


Ce plan sur lequel tournent les planètes du système solaire se nomme l’ecliptique :
D'un point de vue géocentrique, l’écliptique est le grand cercle représentant la projection, sur la sphère céleste, de la trajectoire annuelle apparente du Soleil vue de la Terre.
Du point de vue héliocentrique, il s’agit de l’intersection de la sphère céleste avec le plan écliptique (plan géométrique contenant l’orbite de la Terre autour du Soleil).


(Source : Ecliptique / Wikipédia)

On a aussi pu appeler ce plan ecliptique, orbite terrestre, ou orbite annuelle, ou grand orbe, en tant qu'on la regarde comme le cercle que la Terre décrit par son mouvement annuel.

(Source :Ecliptique / Encyclopédie de Diderot et d'Alembert)

Toutefois, les planètes ne sont pas vraiment toutes alignées sur ce plan :
Mercure est inclinée de 7° par rapport au plan ecliptique
Vénus a une inclinaison de 3°23’
Mars est inclinée de 1°51’
Jupiter est inclinée de 1°18
Saturne a une inclinaison de 2°30’
Uranus n’a qu’une inclinaison de 0°46’
Neptune est inclinée de 1°47’

Mais c’est Pluton (du nom du dieu romain des morts ;) ) qui se démarque le plus de ce ballet autour du soleil. En effet, l’orbite de Pluton est fortement inclinée par rapport au plan de l’ecliptique, d’environ 17°. Vous voyez sur l’animation suivante que la différence est frappante.

Image
« Plutoorbit1.5sideview » par Lookangmany thanks to author of original simulation = Todd K. Timberlake author of Easy Java Simulation = Francisco Esquembre — Travail personnel. Sous licence Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 via Wikimedia Commons -

Les astrophysiciens n’ont pas de réponse certaine quant à la raison de cette inclinaison :
The orbit of Pluto / Ask an Astrophysicist (NASA)

Toutefois, Pluton n’est plus considérée comme une planète depuis 2006 ; elle est devenue une planète naine.
Tout rentre dans l'ordre, les planètes du système solaire tournent bien sur le même plan (ou presque) !

(Source : Pluton n’est plus la 9ème planète du système solaire / Sciences et Avenir)


Bonne journée
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