Le disque et les planètes

premiers millions d'années après le t = 0

Une autre horloge

Toutes les dates données jusqu'ici par ce livre ont été calculées. L'âge de l'Univers, le moment où la lumière se libère, celui des premières étoiles ou du début du disque de la Voie lactée se lisent dans le modèle standard de la cosmologie : on mesure l'étirement de la lumière d'un objet lointain, et le modèle convertit cet étirement en âge (→ chap. 7). Si le modèle devait être corrigé, ces dates bougeraient avec lui Hogg 1999. Avec le Soleil, la source des dates change. Le chapitre précédent a daté la naissance du Système solaire sur des grains pris dans des météorites, par la radioactivité de l'uranium (→ chap. 15). Ces dates se comptent à rebours depuis aujourd'hui. Elles ne doivent rien au modèle cosmologique : un grain de météorite a le même âge, que l'Univers ait 13,8 milliards d'années ou un peu plus.

Pour les premiers millions d'années du Système solaire, les géochimistes disposent de deux familles d'horloges, qui ne répondent pas à la même question. La première est celle que le chapitre précédent a décrite : les couples uranium-plomb. L'uranium 238 se change en plomb 206 avec une demi-vie de 4,5 milliards d'années, l'uranium 235 en plomb 207 avec une demi-vie de 0,70 milliard d'années wiki-pbpb ; la demi-vie est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux d'un isotope radioactif s'est transformée. Parce que les deux horloges tournent à des vitesses différentes dans la même pierre, le rapport des deux plombs suffit à donner un âge wiki-pbpb. Cet âge est absolu : il se lit en millions d'années avant le présent. Ces horloges tournent encore aujourd'hui, puisque leurs demi-vies sont comparables à l'âge du Système solaire, et elles servent aussi à dater les minéraux terrestres les plus anciens Lichtenberg 2023.

La seconde famille est celle des radioactivités dites éteintes. Deux d'entre elles portent l'essentiel de ce chapitre. L'aluminium 26 se désintègre en magnésium 26, avec une demi-vie d'environ 0,72 million d'années ; l'hafnium 182 se désintègre en tungstène 182, avec une demi-vie d'environ 8,9 millions d'années Lichtenberg 2023. Au regard des 4,57 milliards d'années écoulés, ces durées sont infimes. L'aluminium 26 présent à l'origine a entièrement disparu : au bout de dix demi-vies, soit environ sept millions d'années, il n'en restait plus qu'un millième¹. D'où le nom de ces horloges : leur isotope père n'existe plus. Elles n'ont fonctionné qu'au début, tant qu'il en restait Lichtenberg 2023.

Une horloge éteinte ne se lit pas par l'isotope père, qui a disparu, mais par ce qu'il a laissé. Un minéral qui se forme alors que l'aluminium 26 est encore abondant en incorpore une partie, qui devient ensuite du magnésium 26. Aujourd'hui, ce minéral contient un excès de magnésium 26 par rapport à un minéral formé plus tard, quand l'aluminium 26 avait déjà décru. Plus l'excès est grand, plus le minéral s'est formé tôt². Ce que l'on obtient ainsi n'est pas une date en années avant le présent, mais un écart de temps entre deux objets. En contrepartie, cet écart est très fin : une demi-vie de 0,72 million d'années fait varier l'excès de magnésium sensiblement d'un objet à l'autre dès que leurs formations sont séparées de quelques centaines de milliers d'années Lichtenberg 2023³.

L'horloge hafnium-tungstène a une propriété supplémentaire, qui en fait l'instrument privilégié pour dater la formation des noyaux de métal des planètes et des astéroïdes. Les deux éléments n'ont pas les mêmes affinités chimiques : l'hafnium reste dans le silicate, la roche, tandis que le tungstène suit le fer Lichtenberg 2023. Quand un corps fond et que son métal coule vers le centre pour former un noyau, le tungstène part avec le métal et l'hafnium reste dans le manteau rocheux. Si cette séparation a lieu pendant que l'hafnium 182 existe encore, celui-ci continue de produire du tungstène 182 dans le manteau, qui s'enrichit en cet isotope ; le noyau, privé d'hafnium, n'en reçoit plus. L'excès de tungstène 182 du manteau mesure donc la date de formation du noyau : il est d'autant plus grand que le noyau s'est formé tôt⁴. Avec sa demi-vie de 8,9 millions d'années, cette horloge couvre une période plus longue que celle de l'aluminium, les premières dizaines de millions d'années, ce qui la rendra centrale au chapitre suivant, quand il faudra dater le noyau de la Terre (→ chap. 17).

Les deux familles se complètent. Les radioactivités éteintes donnent l'ordre fin des événements, en écarts de temps ; l'uranium-plomb donne l'ancrage absolu Lichtenberg 2023. Pour convertir un écart en date, il faut ancrer l'horloge relative sur un objet dont on connaît à la fois l'écart et l'âge absolu. C'est dans ce raccord que se loge le désaccord décrit à la section suivante, et c'est pour cette raison que Steven Desch et ses coauteurs recommandent de dater les événements du début du Système solaire par rapport au t = 0, l'âge des premiers solides, plutôt qu'en âge absolu Desch 2023. Ce chapitre suit cette règle. Ses dates s'écrivent « tant de millions d'années après le t = 0 » ; l'âge absolu de ce zéro est traité à part.

Un zéro incertain d'un million d'années

Le t = 0 des géochimistes est l'âge des inclusions riches en calcium et en aluminium, désignées par le sigle anglais CAI. Ces petits grains clairs, pris dans certaines météorites non fondues, les chondrites, sont les plus vieux solides du Système solaire ; leur âge sert pour cette raison d'origine cosmochimique Woitke 2024 Lichtenberg 2023. Un modèle publié en 2024 par Peter Woitke et ses coauteurs les fait naître dans les 50 000 premières années de l'évolution du disque de gaz et de poussière qui entourait le Soleil naissant Woitke 2024. C'est un résultat de modèle, mais il suffit à confondre, à l'échelle de ce livre, la naissance du Soleil et l'âge du Système solaire (→ chap. 15).

Le chapitre précédent a exposé le désaccord sur la valeur de ce zéro ; les chiffres en sont rappelés ici parce que toute la suite en dépend. Quatre CAI datées par la méthode plomb-plomb donnent 4 567,30 millions d'années, avec une incertitude de 0,16 million d'années Woitke 2024 Connelly 2012. En 2023, Desch et ses coauteurs font concorder l'horloge plomb-plomb et l'horloge aluminium-magnésium sur des achondrites, des météorites issues de corps qui ont fondu, choisies parmi celles qui se sont refroidies rapidement : pour ces pierres, on connaît à la fois l'âge absolu et l'écart au t = 0, et l'on en déduit l'âge du t = 0 lui-même. Ils obtiennent 4 568,42 ± 0,24 millions d'années, une valeur « significativement plus ancienne » que la mesure directe sur les CAI Desch 2023. Selon eux, le plomb de certaines CAI aurait été perturbé après leur formation Desch 2023. La même année, Maxime Piralla et ses coauteurs, par une chronologie unifiée aluminium-magnésium et plomb-plomb, arrivent à 4 568,7 millions d'années Woitke 2024⁵.

L'écart est d'environ un million d'années, soit 0,02 % de l'âge du Système solaire Desch 2023 Woitke 2024⁶. Pour le récit cosmique, il ne compte pas. Que le Soleil naisse 9,23 ou 9,232 milliards d'années après le Big Bang ne change ni sa place aux deux tiers de l'histoire, ni l'ordre des événements qui l'ont précédé ; l'incertitude sur l'âge de l'Univers lui-même, et les tensions du modèle qui le calcule, pèsent davantage (→ chap. 23).

Pour ce chapitre, le même million d'années est considérable. Les événements qui suivent se comptent en fractions de million d'années : des premiers petits corps moins de 0,3 million d'années après le t = 0, un noyau de Jupiter en moins d'un million d'années, un disque dissipé vers 4 à 5 millions d'années Lichtenberg 2023 Kruijer 2017. Sur une chronologie de cette finesse, un zéro qui se déplace d'un million d'années déplace d'autant chacune des dates exprimées en âge absolu. Qu'un événement ait eu lieu « il y a 4 567 millions d'années » peut signifier qu'il coïncide avec le t = 0 ou qu'il le suit d'un million d'années, soit, pour un corps chauffé par l'aluminium 26, la différence entre fondre et ne pas fondre, comme le montre la section suivante.

C'est ici que la règle de Desch et de ses coauteurs prend son sens. Un écart mesuré par une horloge éteinte entre une CAI et un autre objet ne dépend pas de l'âge absolu de la CAI. Si le zéro recule d'un million d'années, tous les événements reculent avec lui, et leurs écarts restent intacts Desch 2023⁷. Le désaccord ne porte que sur l'accrochage de la chronologie relative au calendrier absolu, pas sur la chronologie elle-même. Une réserve limite cette sécurité : les écarts donnés par l'aluminium 26 supposent que cet isotope était réparti de manière homogène dans le disque, et c'est précisément cette condition que teste l'article de Desch et de ses coauteurs, dont le titre annonce « un test de l'homogénéité de l'aluminium 26 » Desch 2023. Si l'aluminium 26 avait été plus abondant ici que là, un excès de magnésium plus faible pourrait signaler une région pauvre plutôt qu'une formation tardive.

Les petits corps d'abord, et fondus

Les chondrites sont des météorites pierreuses qui n'ont pas fondu depuis leur assemblage. Elles ont gardé les briques du disque dans l'état où elles se sont agglomérées. On y distingue trois ingrédients : les CAI ; des chondres, gouttelettes de silicate fondu puis figé, de taille millimétrique ou moins ; et une matrice de poussière fine qui cimente le tout Lichtenberg 2023. Les chondres ont été fondus, et vite refroidis, avant d'être incorporés à la roche : quelque chose, dans le disque, a chauffé brièvement ces grains à haute température⁸. Les autres météorites, achondrites et météorites de fer, viennent de corps parents qui ont fondu. Leurs grains d'origine ont disparu dans la fusion, et on les date en croisant âges radiométriques et modèles thermiques de leurs corps parents Lichtenberg 2023.

Ces corps parents étaient des planétésimaux, les premiers corps solides assez gros pour que leur gravité compte, de quelques kilomètres à quelques centaines de kilomètres⁹. Le résultat principal des dernières années, selon la synthèse de Tim Lichtenberg et de ses coauteurs, est leur précocité. Les premiers planétésimaux connus du Système solaire interne se sont formés moins de 0,3 million d'années après les CAI Lichtenberg 2023. Ceux du Système solaire externe se sont formés environ un million d'années plus tard : les temps d'accrétion moyens des deux groupes sont de 1,08 ± 0,05 million d'années pour le premier et de 2,27 ± 0,10 millions d'années pour le second Lichtenberg 2023. Moins de trois cent mille ans après l'apparition des premiers grains, des corps de plusieurs dizaines de kilomètres tournaient donc déjà autour du Soleil.

Cette précocité a une conséquence thermique. L'aluminium 26 était alors abondant, et sa désintégration dégage de la chaleur. Dans un grain de poussière isolé, cette chaleur s'échappe aussitôt. Dans un corps de plusieurs dizaines de kilomètres, elle reste piégée, car la roche conduit mal la chaleur et le trajet jusqu'à la surface est long¹⁰. Lichtenberg et ses coauteurs estiment que les corps de plus de 20 kilomètres de rayon formés dans les deux millions d'années suivant les CAI ont probablement fondu entièrement sous l'effet de l'aluminium 26 Lichtenberg 2023. Fondus, ils se sont différenciés : le métal, plus dense, a coulé vers le centre pour former un noyau, et le silicate est resté autour¹¹. Un corps formé plus tard a reçu moins de chaleur : après deux millions d'années, il ne restait qu'environ un septième de l'aluminium 26 initial, et après trois millions d'années, environ un seizième¹².

D'où un ordre qui contredit l'intuition. On attendrait des roches les plus primitives qu'elles soient les plus anciennes, et des roches fondues qu'elles soient plus tardives, issues de corps qui ont eu le temps de mûrir. C'est l'inverse. Les plus anciens planétésimaux sont les corps différenciés dont viennent les météorites de fer et les achondrites ; les chondrites, plus primitives, viennent de corps formés plus tard, quand il ne restait plus assez d'aluminium 26 pour les fondre Lichtenberg 2023. Une météorite de fer est un morceau du noyau métallique d'un des premiers corps du Système solaire, brisé par des collisions¹³. Une chondrite est un morceau d'un corps venu trop tard pour fondre. La primitivité d'une chondrite tient à une naissance tardive : son corps parent a manqué la chaleur qui aurait effacé ses grains.

Reste à comprendre comment des grains millimétriques deviennent en quelques centaines de milliers d'années des corps de dizaines de kilomètres. La croissance grain à grain se heurte à une difficulté connue des modélisateurs : au-delà d'une certaine taille, les grains qui se heurtent rebondissent ou se brisent plutôt que de coller, et ceux qui grossissent dérivent vers le Soleil sous l'effet du gaz¹⁴. Le mécanisme aujourd'hui privilégié contourne l'obstacle en sautant les tailles intermédiaires. Dans le disque, les solides se concentrent en « galets », des grains de taille millimétrique à centimétrique ; sous l'effet de leur interaction avec le gaz, ces galets s'amassent localement en nuages denses, qui s'effondrent sous leur propre gravité. Ce mécanisme, appelé instabilité de courant, produit directement des corps d'environ 100 kilomètres Lichtenberg 2023¹⁵. Si ce mécanisme est le bon, les planétésimaux ne sont pas passés par la taille d'un rocher, puis d'une colline : ils sont nés grands.

Ce qui reste débattu

Deux questions restent ouvertes dans ce tableau. La première porte sur la durée de formation des chondres. Datés un à un par plomb-plomb, les chondres étudiés par James Connelly et ses coauteurs en 2012 ont des âges qui s'étalent de 4 567,32 ± 0,42 à 4 564,71 ± 0,30 millions d'années, soit environ trois millions d'années à partir des CAI Connelly 2012. En 2017, Jean Bollard et ses coauteurs, sur 22 chondres datés individuellement, concluent au contraire que leur production primaire s'est limitée au premier million d'années après la formation du Soleil, et que les âges plus jeunes traduisent un long recyclage : des chondres refondus, ou remaniés, bien après leur première formation Bollard 2017. Les deux lectures s'opposent sur l'origine des âges jeunes, formation tardive dans un cas, reprise de grains anciens dans l'autre. Les départager demande de savoir si un chondre daté à trois millions d'années est un objet neuf ou un objet ancien remis à zéro ; la base ne décrit pas les critères par lesquels on les distingue¹⁶. L'enjeu dépasse les chondres : si l'essentiel des briques du disque était fabriqué en un million d'années, les planétésimaux internes précoces se sont assemblés à partir d'un matériau déjà presque complet.

La seconde question porte sur la suite de la croissance. Une fois formés les planétésimaux d'une centaine de kilomètres, deux voies sont possibles pour arriver aux embryons de planètes, des corps de la taille de la Lune ou de Mars. Dans la première, les planétésimaux se heurtent et s'agglomèrent entre eux. Dans la seconde, dite accrétion de galets, un planétésimal assez gros capture les galets qui dérivent dans le disque vers le Soleil et grossit à leurs dépens Lichtenberg 2023. Les deux voies ne donnent pas les mêmes vitesses de croissance, ni les mêmes compositions, puisque les galets capturés viennent de plus loin que le corps qui les capte¹⁷. La synthèse de Lichtenberg et de ses coauteurs les présente comme deux possibilités en discussion, sans trancher.

Jupiter et les deux réservoirs

Les météorites ne portent pas seulement une date. Elles portent aussi une signature de provenance. Les proportions de certains isotopes, qui varient légèrement d'une région du disque à l'autre, les rangent en deux super-familles. Les unes sont dites « carbonées », notées CC d'après l'anglais ; les autres « non carbonées », notées NC Lichtenberg 2023. Les noms viennent d'une classification des météorites ; la différence qui compte ici est isotopique. On interprète les météorites carbonées comme venant du Système solaire externe, et les non carbonées comme venant du Système solaire interne, la région où se sont formées les planètes rocheuses Lichtenberg 2023¹⁸.

Ce qui est mesuré tient en trois éléments. D'abord la signature : chaque météorite appartient à l'une ou l'autre famille, sans intermédiaire. Ensuite les âges : les météorites de fer, qui sont des noyaux de planétésimaux précoces, peuvent être datées par le couple hafnium-tungstène, qui donne l'âge de formation de leur noyau. Thomas Kruijer et ses coauteurs ont croisé, sur des fers des deux familles, les isotopes du molybdène et du tungstène, qui donnent la famille, et les âges hafnium-tungstène Kruijer 2017. Le résultat est le troisième élément : les deux réservoirs ont coexisté et sont restés séparés dans l'espace entre environ un million et environ trois à quatre millions d'années après le t = 0 Kruijer 2017. Pendant ce temps, des corps se formaient de part et d'autre, et aucun ne mélangeait les deux signatures.

Ce résultat pose une difficulté physique. Un disque de gaz et de poussière n'est pas une structure figée : la poussière y dérive vers le Soleil, le gaz y est brassé¹⁹. Deux régions voisines devraient finir par se mélanger en bien moins de trois millions d'années. Quelque chose les a tenues séparées. Kruijer et ses coauteurs jugent que le mécanisme « le plus plausible » est la formation de Jupiter Kruijer 2017. Une planète géante qui grossit dans le disque y ouvre un sillon, une bande appauvrie en gaz le long de son orbite, qui arrête la dérive des solides venus de l'extérieur²⁰. Les galets du Système solaire externe s'accumulent au bord de ce sillon au lieu de le traverser, et les deux réservoirs restent séparés tant que la barrière tient.

Pour que la barrière soit en place dès un million d'années, il faut que Jupiter ait grossi très vite. Kruijer et ses coauteurs en déduisent que son noyau a atteint environ 20 masses terrestres en moins d'un million d'années, puis environ 50 vers trois à quatre millions d'années Kruijer 2017. Jupiter serait ainsi la plus vieille planète du Système solaire, formée alors que les planétésimaux internes venaient à peine d'apparaître et bien avant que la Terre ne prenne forme Kruijer 2017.

Cette conclusion n'a pas le même statut que les données qui la portent. Les signatures isotopiques et les âges hafnium-tungstène des fers sont des mesures. La séparation des deux réservoirs pendant deux à trois millions d'années est une déduction directe de ces mesures. La barrière de Jupiter, elle, est une interprétation : elle explique la séparation, mais elle n'est pas observée, et les auteurs eux-mêmes la présentent comme le mécanisme le plus plausible, non comme le seul Kruijer 2017. La masse du noyau de Jupiter à un million d'années est la conséquence de cette interprétation, pas une mesure de Jupiter. Si un autre mécanisme de séparation était établi, par exemple une structure du disque qui aurait arrêté la dérive des solides sans planète, l'âge de Jupiter perdrait son principal appui²¹. La base de ce livre ne présente pas de mécanisme concurrent chiffré ; le verdict est donc provisoire.

La Terre, enfin, n'appartient à aucune des deux familles : elle est un mélange des deux réservoirs Lichtenberg 2023. La matière de notre planète n'est pas seulement celle du disque solaire proche du Soleil ; elle a reçu aussi de la matière venue d'au-delà de la barrière. Le moment et la manière de ce mélange ne sont pas établis par la base : ils supposent qu'à un certain stade, des corps du réservoir externe aient franchi la région de Jupiter²². Le chapitre sur l'eau reviendra sur ce passage, puisque l'eau terrestre pourrait en partie venir de corps nés au-delà de la ligne où la glace se condensait (→ chap. 18).

La fin du disque

Le disque de gaz n'a pas duré. D'après le paléomagnétisme des météorites, il s'est dissipé vers quatre à cinq millions d'années après le t = 0 Lichtenberg 2023. Le paléomagnétisme est l'étude du magnétisme fossile des roches : certains minéraux, en se refroidissant ou en se formant, enregistrent le champ magnétique ambiant. Tant que le disque de gaz existait, il portait un champ magnétique, que des météorites ont enregistré ; les météorites formées plus tard n'en portent plus la trace²³. Le moment où cette trace disparaît date la fin du disque de gaz.

Avant cette date, certains corps avaient déjà grandi beaucoup. Mars est le cas le mieux contraint. Elle aurait atteint la moitié de sa masse en 1,8 million d'années, avec une incertitude qui va de 0,8 à 2,7 millions d'années, et achevé l'essentiel de son accrétion en dix à quinze millions d'années Lichtenberg 2023. Son noyau se serait formé entre deux à quatre millions d'années et dix à quinze millions d'années après le t = 0, selon les auteurs Lichtenberg 2023. Mars a donc fait l'essentiel de sa croissance pendant la vie du disque. Elle n'a ensuite presque plus grossi. La lecture la plus probable, selon la fiche de chronologie, est que Mars est un embryon planétaire resté à l'état d'embryon : un de ces corps de la taille de Mars qui, ailleurs, se sont heurtés et fondus en planètes plus grandes, et qui, dans son cas, a échappé à ces collisions²⁴.

La Terre a pris un autre chemin. Pendant toute la vie du disque, la proto-Terre n'aurait pas dépassé environ 0,6 masse terrestre Lichtenberg 2023. À la dissipation du gaz, la future Terre n'était donc pas une planète achevée, mais un ou plusieurs embryons dont la masse cumulée restait au plus à six dixièmes de la masse actuelle²⁵. Le reste est venu après, et autrement.

Tant que le gaz était là, il freinait les embryons. Un corps qui se déplace dans le gaz y perd un peu d'énergie de mouvement, et ce frottement amortit les écarts de son orbite : les orbites restent presque circulaires et bien séparées²⁶. Le gaz parti, ce frein disparaît. Les attractions mutuelles des embryons déforment alors leurs orbites, qui s'allongent et finissent par se croiser. C'est le début de l'étape des impacts géants, où des corps de la taille de la Lune ou de Mars se percutent Lichtenberg 2023. Le chapitre suivant raconte ce qu'il en résulte pour la Terre, et pour la naissance de la Lune (→ chap. 17).

Les planètes géantes ont connu leur propre bouleversement. Plusieurs modèles de l'histoire du Système solaire font passer les planètes géantes par une phase d'instabilité : leurs orbites se modifient brutalement et leurs perturbations dispersent les petits corps Lichtenberg 2023²⁷. La date de cette instabilité est discutée entre les modèles. En 2024, Graham Edwards et ses coauteurs en proposent une trace datée. Ils utilisent la thermochronologie potassium-argon : le potassium 40 se désintègre en argon 40, un gaz qui s'échappe de la roche tant qu'elle est chaude et qui s'y accumule quand elle refroidit. L'argon accumulé date le dernier épisode où la roche a été fortement chauffée, par exemple par un choc²⁸. Sur des météorites issues d'astéroïdes, Edwards et ses coauteurs identifient ainsi un bombardement qui commence 11,3 millions d'années après la naissance du Soleil, et qu'ils attribuent à l'instabilité des planètes géantes Edwards 2024.

L'incertitude de cette date est large et asymétrique : de 9,5 millions d'années en plus à 6,6 millions d'années en moins Edwards 2024. Le bombardement peut donc avoir commencé entre environ 5 et environ 21 millions d'années après le t = 0²⁹. Même avec cette marge, il tombe dans les premières dizaines de millions d'années, et le résultat va dans le sens des modèles qui placent l'instabilité des géantes tôt Lichtenberg 2023. Deux étapes séparent toutefois la mesure de l'interprétation. La mesure date un réchauffement des roches de la ceinture d'astéroïdes. L'attribution de ce réchauffement à des impacts, puis de ces impacts à l'instabilité des géantes, est l'interprétation des auteurs. C'est un résultat récent, d'une équipe.

Le chapitre s'arrête à ce point. Vers dix millions d'années après le t = 0, le gaz est parti, Jupiter est formée, Mars a presque fini de grandir, les géantes réarrangent peut-être leurs orbites. La Terre, elle, n'est pas finie : son noyau n'achèvera de se former qu'environ 30 millions d'années ou plus après le t = 0, et la Lune n'existe pas encore Lichtenberg 2023 (→ chap. 17).

La matinée du 2 septembre

L'année cosmique, que Carl Sagan a popularisée en 1977 dans The Dragons of Eden puis en 1980 dans la série Cosmos, ramène les 13,8 milliards d'années de l'histoire cosmique à douze mois wiki-cosmiccal. Un jour y vaut 37,8 millions d'années, une heure 1,58 million d'années, une minute environ 26 000 ans wiki-cosmiccal³⁰. Le 1er janvier à 0 h est le début conventionnel des horloges cosmiques (→ chap. 1).

Le t = 0 du Système solaire tombe sur ce calendrier le 2 septembre, entre 4 h et 5 h du matin selon la valeur retenue³¹. Les chapitres précédents l'ont placé à la fin d'août, en suivant la frise de ce livre qui arrondit l'âge du Soleil aux deux tiers de l'histoire cosmique Connelly 2012 (→ chap. 15). Le calcul exact le décale de quelques heures : quand 9,23 milliards d'années se sont écoulés sur 13,8, 244,2 jours du calendrier sont passés, et le 31 août s'est achevé à minuit au bout de 243 jours³¹. La correction ne change rien au sens : le Soleil naît à la charnière de l'été et de la rentrée, avec quatre mois devant lui.

Sur ce calendrier, tout le contenu de ce chapitre tient dans une matinée. Les premiers planétésimaux du Système solaire interne apparaissent au plus une dizaine de minutes après le t = 0. Le noyau de Jupiter atteint ses 20 masses terrestres en moins de 40 minutes, si l'interprétation de Kruijer et de ses coauteurs est juste. Les chondres se forment dans les 40 premières minutes ou dans les deux premières heures, selon l'équipe qu'on suit. Le gaz du disque se dissipe vers 7 h ou 8 h. L'instabilité des géantes survient vers la fin de la matinée, avec une marge qui va de 7 h du matin au milieu de l'après-midi. Mars achève sa croissance entre 10 h et 14 h³².

Le désaccord sur le t = 0 se lit sur la même échelle. Entre 4 567,3 et 4 568,7 millions d'années, il y a 1,4 million d'années, soit une cinquantaine de minutes de l'année cosmique ³³. Sur l'histoire entière, c'est une broutille : moins d'une heure sur 8 760. Sur la matinée du 2 septembre, cette heure recouvre les premiers planétésimaux et le noyau de Jupiter. Le calendrier rend visible ce que la section sur le zéro a établi en millions d'années : une incertitude négligeable pour situer le Soleil dans l'histoire cosmique est du même ordre que les intervalles qui séparent les premiers événements de la formation des planètes.

Une autre différence sépare les deux manières de compter. Ce calendrier suppose l'âge de 13,8 milliards d'années pour l'Univers : c'est lui qui fixe la longueur d'un jour et la date du 2 septembre wiki-cosmiccal. Si l'âge de l'Univers était révisé, toutes les heures de cette matinée glisseraient. Les écarts au t = 0, eux, n'en dépendent pas : un planétésimal formé 0,3 million d'années après les CAI l'est quel que soit l'âge du cosmos, puisque cet écart se lit dans l'excès de magnésium d'une pierre. L'année cosmique est une image, rapportée à un âge calculé ; la chronologie du disque est une mesure, faite sur des pierres. La version du calendrier que donne Wikipédia place d'ailleurs le Système solaire au 9 septembre, parce qu'elle retient d'autres âges pour l'Univers et pour le Soleil wiki-cosmiccal.

La journée n'est pas finie. Le noyau de la Terre n'achève de se former qu'environ 30 millions d'années ou plus après le t = 0 : sur le calendrier, vers 23 h le 2 septembre, ou plus tard Lichtenberg 2023³². La Lune naîtra entre le 3 et le 5 septembre, selon les datations qui s'opposent sur son âge Lichtenberg 2023 Nimmo 2024. Ce sont les sujets du chapitre suivant (→ chap. 17).

Ce qu'on ne sait pas

On ne connaît pas l'âge absolu du t = 0 à mieux qu'un million d'années près : 4 567,30 ± 0,16 millions d'années par le plomb-plomb direct sur quatre CAI Woitke 2024, 4 568,42 ± 0,24 par l'accord du plomb-plomb et de l'aluminium 26 Desch 2023, 4 568,7 selon Piralla et ses coauteurs Woitke 2024. Deux explications s'opposent : un plomb perturbé dans certaines CAI, qui rajeunirait leur âge apparent, ou un aluminium 26 réparti de façon inégale dans le disque, qui fausserait l'accord des deux horloges et jouerait contre la valeur la plus ancienne. Ce qui départagerait : des CAI au plomb démontré intact, et un test indépendant de l'homogénéité de l'aluminium 26. Confiance élevée sur l'âge à quelques millions d'années près ; modérée sur le choix entre les deux valeurs. Les écarts au t = 0 sont plus sûrs que le zéro lui-même, à la condition d'homogénéité près.

On ne sait pas combien de temps a duré la formation des chondres : environ trois millions d'années selon Connelly et ses coauteurs Connelly 2012, un million d'années suivi d'un long recyclage selon Bollard et ses coauteurs Bollard 2017. La question porte sur la nature des chondres datés au-delà du premier million d'années, neufs ou remaniés. La publication de Connelly et de ses coauteurs n'a pas été lue directement pour ce livre ; son contenu est connu par un résumé³⁴. Confiance faible sur la durée.

On ne sait pas comment les planétésimaux ont grossi jusqu'aux embryons : par collisions entre eux, ou par capture des galets qui dérivaient dans le disque Lichtenberg 2023. Le mécanisme qui forme les planétésimaux eux-mêmes, l'instabilité de courant, est privilégié, mais la base ne dit pas quelle observation l'a imposé plutôt qu'une croissance progressive. Confiance modérée sur la formation directe de corps d'environ 100 kilomètres ; faible sur la croissance ultérieure.

On ne sait pas si c'est Jupiter qui a séparé les deux réservoirs du disque. La séparation est mesurée ; son attribution à un sillon ouvert par Jupiter est jugée la plus plausible par Kruijer et ses coauteurs Kruijer 2017. L'âge du noyau de Jupiter, moins d'un million d'années, dépend entièrement de cette interprétation. Confiance élevée sur l'existence des deux réservoirs et sur leur séparation entre environ un et trois à quatre millions d'années ; modérée sur la barrière de Jupiter ; plus faible encore sur la masse de son noyau à un million d'années.

On ne sait pas précisément quand les planètes géantes sont devenues instables. Le bombardement daté par Edwards et ses coauteurs à 11,3 millions d'années après la naissance du Soleil a une incertitude qui va de 5 à 21 millions d'années environ, et son attribution à l'instabilité des géantes est une interprétation Edwards 2024. C'est le résultat récent d'une équipe ; il favorise les modèles d'instabilité précoce Lichtenberg 2023. Une confirmation par une autre horloge ou sur d'autres familles de météorites le consoliderait.

Ce que ce chapitre démontre

À partir du Soleil, les dates du livre ne sont plus calculées dans le modèle cosmologique : elles se lisent dans des météorites. Deux familles d'horloges se complètent. Les radioactivités éteintes, l'aluminium 26 qui devient magnésium 26 avec une demi-vie d'environ 0,72 million d'années, l'hafnium 182 qui devient tungstène 182 avec une demi-vie d'environ 8,9 millions d'années, ne fonctionnent qu'au début et donnent des écarts de temps très fins ; le couple hafnium-tungstène date la formation des noyaux de métal, parce que l'hafnium reste dans la roche et que le tungstène suit le fer Lichtenberg 2023. Les couples uranium-plomb, par le rapport entre plomb 207 et plomb 206, donnent l'âge absolu wiki-pbpb.

Le t = 0 est l'âge des CAI, les premiers solides, nés selon un modèle dans les 50 000 premières années du disque Woitke 2024. Le plomb de quatre CAI donne 4 567,30 ± 0,16 millions d'années Woitke 2024 ; Desch et ses coauteurs obtiennent 4 568,42 ± 0,24 millions d'années en accordant le plomb et l'aluminium 26 Desch 2023, Piralla et ses coauteurs 4 568,7 Woitke 2024. Cet écart d'environ un million d'années, 0,02 % de l'âge, ne change rien au récit cosmique, mais il est du même ordre que les intervalles de la formation des planètes. D'où la règle de Desch et de ses coauteurs : dater en écarts au t = 0, qui restent valables quand le zéro bouge Desch 2023.

Les premiers planétésimaux du Système solaire interne se forment moins de 0,3 million d'années après les CAI, ceux du Système solaire externe environ un million d'années plus tard. Les corps de plus de 20 kilomètres de rayon formés dans les deux premiers millions d'années fondent entièrement sous la chaleur de l'aluminium 26. Les plus anciens planétésimaux sont donc les corps différenciés, d'où viennent les météorites de fer et les achondrites ; les chondrites, plus primitives, viennent de corps plus tardifs. Le mécanisme privilégié, l'instabilité de courant, forme directement des corps d'environ 100 kilomètres Lichtenberg 2023. La durée de formation des chondres, un ou trois millions d'années, et le mode de croissance ultérieur, collisions ou capture de galets, restent débattus Connelly 2012 Bollard 2017 Lichtenberg 2023.

Les météorites se rangent en deux réservoirs isotopiques, non carboné pour le Système solaire interne, carboné pour l'externe, restés séparés entre environ un et trois à quatre millions d'années ; la Terre est un mélange des deux Lichtenberg 2023 Kruijer 2017. Selon Kruijer et ses coauteurs, la séparation s'explique le plus plausiblement par Jupiter, dont le noyau aurait atteint environ 20 masses terrestres en moins d'un million d'années, ce qui en ferait la plus vieille planète ; c'est une interprétation, non une mesure Kruijer 2017.

Le gaz du disque se dissipe vers quatre à cinq millions d'années, d'après le paléomagnétisme des météorites. Mars a atteint la moitié de sa masse en 1,8 million d'années et achevé l'essentiel de sa croissance en dix à quinze millions d'années ; la proto-Terre, pendant la vie du disque, n'a pas dépassé 0,6 masse terrestre. Privées du frein du gaz, les orbites des embryons se déstabilisent et l'étape des impacts géants commence Lichtenberg 2023. Un bombardement de la ceinture d'astéroïdes, attribué à l'instabilité des planètes géantes, est daté à 11,3 (+9,5/−6,6) millions d'années après la naissance du Soleil Edwards 2024.

Sur l'année cosmique fondée sur 13,8 milliards d'années, le t = 0 tombe le 2 septembre entre 4 h et 5 h du matin, et non à la fin d'août ; tout ce chapitre tient dans la matinée de ce jour, et le désaccord sur le t = 0 n'y vaut qu'une cinquantaine de minutes. Ce calendrier dépend de l'âge de l'Univers ; les écarts au t = 0 n'en dépendent pas.

Notes