Le disque et les planètes

premiers millions d'années après le t = 0

Ce que l'aluminium a laissé

Dans les grains des chondrites, l'aluminium 26 n'existe plus. Cette forme radioactive de l'aluminium perd la moitié de ses noyaux en 0,72 million d'années et se change en magnésium 26 ; sept millions d'années après les premiers solides, il n'en restait déjà qu'un millième, et aujourd'hui, à sa place dans le grain, il y a le magnésium qu'il a laissé.

Un minéral formé quand l'aluminium 26 abondait en a pris une part, devenue depuis du magnésium 26 ; un minéral formé plus tard, quand l'aluminium avait décru, en a pris moins. L'excès de magnésium 26 d'un grain mesure l'avance de sa formation sur celle d'un autre. Ce que donne cette horloge éteinte — le père a disparu, on ne lit que ce qu'il a laissé — n'est pas une date en années avant le présent mais un écart de temps entre deux objets ; et cet écart est fin : quelques centaines de milliers d'années suffisent à changer l'excès d'un grain à l'autre.

Un second métal disparu compte plus longtemps. L'hafnium 182 devient du tungstène 182 avec une demi-vie de 8,9 millions d'années, et les deux éléments ne vont pas au même endroit : l'hafnium reste dans la roche, le tungstène suit le fer. Un corps fond ; son métal coule vers le centre ; le tungstène part avec le métal, l'hafnium reste dans le manteau, et là il continue de faire du tungstène 182 que le noyau ne reçoit plus. L'excès de tungstène 182 d'un manteau date la formation du noyau, d'autant plus grand que le noyau s'est fait tôt. Ce compte couvre les premières dizaines de millions d'années ; le chapitre suivant lui demandera l'âge du noyau de la Terre.

Ces comptes ne donnent que des écarts. L'ancrage vient toujours des deux uraniums du chapitre précédent — l'uranium 238 qui devient plomb 206 avec une demi-vie de 4,5 milliards d'années, l'uranium 235 qui devient plomb 207 avec une demi-vie de 0,70 —, dont le rapport des deux plombs suffit à donner un âge en millions d'années avant le présent ; ces deux-là tournent encore, et ils datent aussi les plus vieux minéraux de la Terre. Les deux familles se complètent, l'ordre fin par les métaux éteints, la position dans le temps par le plomb. Pour changer un écart en date, il faut une pierre dont on connaisse les deux, l'écart et l'âge ; c'est dans ce raccord que se loge un million d'années.

Le zéro qui glisse

Les plus vieux solides du Système solaire sont de petits grains clairs pris dans les chondrites, des inclusions riches en calcium et en aluminium, les CAI ; leur âge est le zéro à partir duquel les cosmochimistes comptent tout le reste. Un modèle publié en 2024 par Peter Woitke et ses coauteurs les fait naître dans les cinquante mille premières années du disque de gaz et de poussière qui entoure le Soleil neuf : le disque a à peine commencé à tourner que ses premiers grains sont là.

Ce zéro a trois valeurs. Quatre CAI datées par le plomb donnent 4 567,30 millions d'années, à 0,16 près. Steven Desch et ses coauteurs, en 2023, lisent sur des achondrites refroidies vite à la fois l'âge par le plomb et l'écart au zéro par l'aluminium, en déduisent le zéro lui-même et trouvent 4 568,42, à 0,24 près — le plomb de certaines CAI aurait, selon eux, été perturbé après leur formation. Maxime Piralla et ses coauteurs, la même année, arrivent à 4 568,7.

L'écart est d'environ un million d'années, 0,02 % de l'âge du Système solaire, et pour l'histoire du cosmos il ne pèse rien : que le Soleil naisse 9,23 ou 9,232 milliards d'années après le Big Bang ne déplace ni sa place aux deux tiers de l'histoire ni l'ordre de ce qui l'a précédé, et l'incertitude sur l'âge de l'Univers lui-même pèse davantage.

Un écart mesuré par l'aluminium entre une CAI et un autre objet ne dépend pas de l'âge de la CAI. Que le zéro recule d'un million d'années, chaque événement recule avec lui, et les écarts restent ce qu'ils sont. D'où la règle que Desch et ses coauteurs recommandent et que ce chapitre suit : dater le début du Système solaire en « tant de millions d'années après le t = 0 », plutôt qu'en âge absolu. Une réserve la borde. L'aluminium 26 doit avoir été réparti partout de la même façon dans le disque ; s'il avait abondé ici et manqué là, un excès de magnésium plus faible se lirait aussi bien comme une région pauvre en aluminium que comme une naissance tardive — leur article met cette condition même à l'épreuve.

Pour ce chapitre, le même million d'années est énorme. Les premiers petits corps viennent moins de 0,3 million d'années après le zéro, le noyau de Jupiter en moins d'un million, le gaz du disque s'en va vers 4 à 5 millions ; sur une chronologie de cette finesse, une date dite « il y a 4 567 millions d'années » peut coïncider avec le zéro ou le suivre d'un million d'années. Pour un corps de quelques dizaines de kilomètres chauffé par l'aluminium 26, un million d'années est la différence entre fondre et ne pas fondre.

Nés grands, et fondus

Une chondrite ouverte montre trois choses : les grains clairs ; des chondres — gouttelettes de silicate fondues puis figées, grosses d'un millimètre ou moins, que quelque chose dans le disque a chauffées un instant à haute température avant qu'elles ne soient prises dans la roche — ; et une poussière fine qui cimente le tout. Le corps n'a jamais fondu, et les trois sont restés dans l'état où ils se sont agglomérés. Les autres météorites, les fers et les achondrites, viennent de corps qui ont fondu ; leurs grains d'origine ont disparu dans la fusion.

Faire d'un grain millimétrique un corps de dizaines de kilomètres ne se fait pas grain à grain. Au-delà d'une certaine taille, deux grains qui se heurtent rebondissent ou se brisent au lieu de coller, et ceux qui grossissent glissent vers le Soleil, freinés par le gaz. Le mécanisme aujourd'hui privilégié saute les tailles intermédiaires : des galets, du millimètre au centimètre, s'amassent en nuages denses sous l'effet du gaz ; les nuages s'effondrent sous leur propre poids ; cette instabilité de courant produit d'un coup des corps d'environ cent kilomètres, qui n'ont jamais été un rocher, puis une colline. Ils sont nés grands.

Ils naissent aussi tôt. Les premiers planétésimaux connus 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. Moins de trois cent mille ans après les premiers grains, des corps de plusieurs dizaines de kilomètres tournent déjà autour du Soleil.

L'aluminium 26 est alors abondant, et sa désintégration chauffe. Dans un grain isolé, la chaleur s'échappe aussitôt ; dans un corps de plusieurs dizaines de kilomètres, elle reste prise — la roche conduit mal, et le chemin jusqu'à la surface est long. Les corps de plus de vingt kilomètres de rayon formés dans les deux millions d'années suivant les CAI ont, selon la synthèse de Tim Lichtenberg et de ses coauteurs, probablement fondu en entier. Dans un corps fondu, le métal, plus dense, coule au centre et fait un noyau ; la roche reste autour. Un corps formé après deux millions d'années ne reçoit plus qu'un septième de cette chaleur ; après trois millions, un seizième.

On attendrait des roches les plus primitives qu'elles soient les plus vieilles, et des roches fondues qu'elles viennent de corps qui ont eu le temps de mûrir. C'est l'inverse. Les plus anciens planétésimaux sont les corps qui ont fondu, les corps différenciés dont viennent les fers et les achondrites ; les chondrites viennent de corps formés plus tard, quand il ne restait plus assez d'aluminium 26 pour les fondre. Une météorite de fer est un morceau du noyau d'un des premiers corps du Système solaire, mis à nu par des collisions. Une chondrite est un morceau d'un corps venu trop tard pour fondre — primitive parce que tardive.

Combien de temps le disque a fabriqué des chondres reste disputé. Datés un à un par le plomb, ceux de James Connelly et de ses coauteurs, en 2012, s'étalent sur environ trois millions d'années à partir des CAI ; Jean Bollard et ses coauteurs, en 2017, sur vingt-deux chondres, concluent que la fabrication s'est limitée au premier million d'années et que les âges plus jeunes sont ceux de chondres refondus ou remaniés longtemps après. Un chondre daté à trois millions d'années est un objet neuf, ou un objet ancien remis à zéro, et les deux lectures restent côte à côte.

Deux familles et un sillon

Une météorite ne porte pas seulement une date, elle porte une provenance : les proportions de certains isotopes, qui changent un peu d'une région du disque à l'autre, rangent toutes les météorites en deux familles, sans intermédiaire — les carbonées, notées CC, qu'on lit comme venues du Système solaire externe, et les non carbonées, NC, venues du Système solaire interne, où se forment les planètes rocheuses. Les noms sont ceux d'une classification des météorites ; la frontière qui compte ici est isotopique.

Thomas Kruijer et ses coauteurs prennent en 2017 des météorites de fer des deux familles — des noyaux de planétésimaux précoces — et y croisent deux lectures : les isotopes du molybdène et du tungstène, qui disent la famille, et l'hafnium-tungstène, qui dit l'âge du noyau. 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 ; des corps se forment de part et d'autre, et aucun ne mêle les deux signatures.

Un disque de gaz et de poussière ne reste pas rangé : la poussière y dérive vers le Soleil, le gaz s'y brasse, et deux régions voisines devraient se mélanger en bien moins de trois millions d'années. Quelque chose les a tenues séparées. Kruijer et ses coauteurs jugent « le plus plausible » que ce soit Jupiter. Une planète géante qui grossit dans le disque y ouvre un sillon, une bande vidée de gaz tout le long de son orbite, un anneau creux dans le disque qui tourne ; et les galets venus de l'extérieur, qui dérivaient vers le Soleil, s'entassent au bord de ce sillon au lieu de le traverser.

Pour que la barrière tienne dès un million d'années, Jupiter doit avoir grossi très vite : son noyau aurait atteint environ vingt masses terrestres en moins d'un million d'années, puis une cinquantaine vers trois à quatre millions. Elle serait la plus vieille planète du Système solaire, formée quand les planétésimaux internes venaient d'apparaître, bien avant la Terre. Les signatures et les âges des fers sont des mesures ; la séparation des réservoirs s'en déduit ; la barrière de Jupiter explique cette séparation sans être observée, et la masse de son noyau à un million d'années suit cette explication. Qu'un autre mécanisme ait tenu les solides séparés — une structure du disque, sans planète —, et l'âge de Jupiter perd son appui.

Notre planète n'a pas reçu seulement la matière du disque proche du Soleil. Le moment et la manière du mélange ne sont pas établis, et le chapitre sur l'eau reviendra sur ce passage, puisqu'une part de l'eau terrestre pourrait être née là où la glace se condensait. La Terre n'appartient à aucune des deux familles : elle est faite des deux, et une part de sa matière vient d'au-delà de la barrière.

Le gaz s'en va

Certains minéraux, en se formant ou en se refroidissant, enregistrent le champ magnétique qui les entoure. Tant que le disque de gaz existe, il porte un champ ; des météorites l'ont gardé, et celles qui se forment plus tard n'en portent plus la trace. Ce paléomagnétisme des météorites date la fin du gaz : vers quatre à cinq millions d'années après le t = 0, le disque s'est dissipé.

Entre les corps de cent kilomètres et les embryons de planètes, gros comme la Lune ou comme Mars, le chemin n'est pas établi. Soit les planétésimaux se heurtent et s'agglomèrent entre eux ; soit un corps assez gros capture les galets qui dérivent vers le Soleil et grossit à leurs dépens, d'une matière venue de plus loin que lui. Les deux voies ne donnent ni la même vitesse ni la même composition, et la synthèse de Lichtenberg et de ses coauteurs les laisse en discussion.

Mars est le cas le mieux tenu. Elle aurait atteint la moitié de sa masse en 1,8 million d'années — entre 0,8 et 2,7 —, achevé l'essentiel de sa croissance en dix à quinze millions d'années, et formé son noyau entre deux à quatre et dix à quinze millions d'années après le t = 0, selon les auteurs. Elle a grandi pendant la vie du gaz et presque plus ensuite ; la lecture la plus probable en fait un embryon planétaire resté à l'état d'embryon, un de ces corps gros comme Mars qui ailleurs se sont heurtés et fondus en planètes plus grandes, et qui a échappé à ces collisions.

La Terre a pris l'autre chemin. Pendant toute la vie du disque, la proto-Terre n'aurait pas dépassé six dixièmes de la masse actuelle ; quand le gaz se dissipe, la future Terre n'est pas une planète mais un embryon, ou plusieurs, dont la masse réunie n'atteint pas ce chiffre. Le reste est venu après, et autrement.

Tant que le gaz est là, il freine. Un corps qui s'y déplace perd un peu de son mouvement, et ce frottement garde les orbites presque rondes et bien séparées, chacune sur son anneau. Le gaz parti, le frein disparaît ; les attractions des embryons entre eux déforment leurs orbites, qui s'allongent, se croisent, et des corps de la taille de la Lune ou de Mars se percutent. L'étape des impacts géants commence.

L'argon des astéroïdes

Les planètes géantes ont eu leur propre secousse : plusieurs modèles de l'histoire du Système solaire font passer leurs orbites par une phase où elles se modifient brutalement et dispersent les petits corps, et la date diffère d'un modèle à l'autre. En 2024, Graham Edwards et ses coauteurs en proposent une trace datée. Le potassium 40 se change en argon 40, un gaz qui s'échappe de la roche tant qu'elle est chaude et s'y accumule quand elle refroidit ; l'argon gardé date le dernier coup de chaleur, un choc par exemple. Sur des météorites venues d'astéroïdes, ils lisent ainsi un bombardement qui commence 11,3 millions d'années après la naissance du Soleil, et l'attribuent à l'instabilité des géantes.

La marge est large et penche d'un côté, 9,5 millions d'années en plus, 6,6 en moins : le bombardement a pu commencer entre cinq et vingt et un millions d'années après le t = 0 — dans les premières dizaines de millions d'années quoi qu'il en soit, du côté des modèles qui placent l'instabilité tôt. La mesure date un réchauffement des roches de la ceinture d'astéroïdes ; l'attribution de ce réchauffement à des impacts, puis de ces impacts aux géantes, est celle des auteurs. Le résultat est récent ; il est celui d'une équipe.

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.

La matinée du 2 septembre

L'année cosmique, que Carl Sagan a rendue familière en 1977 dans un livre puis en 1980 à la télévision, ramène les 13,8 milliards d'années de l'histoire à douze mois : un jour y vaut 37,8 millions d'années, une heure 1,58 million, une minute vingt-six mille ans. Le t = 0 du Système solaire y tombe le 2 septembre, entre 4 h et 5 h du matin selon la valeur retenue. La frise de ce livre l'a placé « vers la fin août », en arrondissant l'âge du Soleil aux deux tiers de l'histoire ; le calcul exact le décale de quelques heures — 244,2 jours écoulés, quand le 31 août s'est achevé à minuit au bout de 243 — et le sens ne change pas : le Soleil naît à la charnière de l'été et de la rentrée.

Tout ce chapitre tient dans la matinée de ce jour. Les premiers planétésimaux du Système solaire interne apparaissent au plus une dizaine de minutes après le t = 0 ; le noyau de Jupiter a ses vingt masses terrestres en moins de quarante minutes, si Kruijer et ses coauteurs lisent juste ; les chondres se forment dans les quarante premières minutes ou dans les deux premières heures, selon l'équipe qu'on suit ; le gaz se dissipe vers 7 h ou 8 h ; les géantes bousculent leurs orbites vers la fin de la matinée, avec une marge qui va de 7 h du matin au milieu de l'après-midi ; Mars finit de grandir entre 10 h et 14 h.

Le désaccord sur le zéro se lit sur le même cadran. Entre 4 567,3 et 4 568,7 millions d'années il y a 1,4 million d'années, une cinquantaine de minutes de l'année cosmique — moins d'une heure sur les 8 760 de l'année. Sur la matinée du 2 septembre, cette heure recouvre les premiers planétésimaux et le noyau de Jupiter.

Les deux manières de compter ne reposent pas sur la même chose. Le calendrier suppose les 13,8 milliards d'années de l'Univers ; ce nombre fixe la longueur d'un jour et la date du 2 septembre, et si l'âge de l'Univers était revu, toutes les heures de cette matinée glisseraient. Un planétésimal formé 0,3 million d'années après les CAI l'est quel que soit l'âge du cosmos : cet écart se lit dans l'excès de magnésium d'une pierre. Toutes les dates du livre jusqu'au Soleil étaient calculées dans un modèle ; celles du disque sont lues dans la pierre, à rebours depuis aujourd'hui. L'année cosmique est une image rapportée à un âge calculé ; la chronologie du disque est une mesure.

La journée n'est pas finie. Il reste au noyau de la Terre une trentaine de millions d'années à se former, jusque vers 23 h sur ce calendrier, ou plus tard ; et la Lune, dont les datations se disputent l'âge, naît le 3 septembre, ou le 5.