Le Soleil arrive tard

~9,2 Ga (il y a ~4 567 Ma)

Ouverture

Dans le disque d'une galaxie, plus près de son centre que de ses bords, là où les étoiles naissent en plus grand nombre et où le gaz porte davantage de ce qu'elles ont fait, un nuage de gaz froid se contracte sur lui-même. Sur mille grammes de ce gaz, sept cent cinquante environ sont un hydrogène qu'aucune étoile n'a fait ; deux cent quarante, un hélium ; et quatorze, à peu près, tout le reste — du carbone, de l'oxygène, du fer, quelques traces d'or —, laissé par des étoiles mortes à toutes les époques et mêlé sans ordre, de sorte qu'un atome ne dit rien de celui qui le touche. Le centre du nuage se tasse ; il s'échauffe ; une étoile s'allume.

Elle n'est pas seule. Des milliers d'étoiles naissent du même gaz au même moment, et la galaxie qui tourne les emporte toutes ensemble autour de son centre, sur des orbites presque rondes, dans le même plan. Au-delà, entre les galaxies, l'espace s'étire ; la matière s'y fait plus rare à mesure qu'il grandit, et ce qui étire l'espace pèse déjà presque autant que toute la matière qu'il écarte.

Autour de l'étoile neuve, un disque de gaz et de poussière tourne à son tour. Près d'elle, dans le plus chaud, les premiers solides se forment : des grains clairs, faits de minéraux de calcium et d'aluminium, ceux qui tiennent là où tout le reste reste gaz. Dans chacun de ces grains, parmi tous les autres atomes, deux sortes d'uranium commencent à se défaire, chacune à son rythme — l'une perd la moitié de ses noyaux en sept cents millions d'années, l'autre en quatre milliards et demi. Chaque noyau défait laisse un plomb.

Le mot « tard »

Le Soleil est né tard, et « tard » se calcule. L'Univers a environ 13,8 milliards d'années dans le modèle standard de la cosmologie ; les plus vieux solides du Système solaire — de petits grains clairs pris dans certaines météorites, qu'on datera plus loin — en ont 4 567 millions ; la soustraction place la naissance du Soleil environ 9,2 milliards d'années après le Big Bang. Neuf virgule deux sur treize virgule huit font un peu plus de 0,66 : le Soleil naît aux deux tiers de l'histoire cosmique.

Ramenée à douze mois, l'histoire fait voir la proportion. Le fond diffus, la plus ancienne lumière qu'on puisse recevoir, est émis un quart d'heure après minuit le 1er janvier, comme l'a dit le chapitre de la première lumière ; les premières étoiles s'allument dans la première semaine de janvier ; la réionisation s'achève vers la fin du mois ; le disque de la Voie lactée commence vers le 22 janvier ; Gaia-Enceladus est absorbée entre la mi-mars et le début d'avril. Le Soleil naît vers la fin d'août — aux premières heures du 2 septembre, au calcul exact —, et il reste quatre mois, septembre, octobre, novembre, décembre, avant le présent.

Quand il se forme, le disque de la Galaxie a déjà plus de huit milliards d'années : il a commencé il y a treize milliards d'années, et treize moins 4,57 font 8,4. La collision avec Gaia-Enceladus a eu lieu cinq à six milliards d'années plus tôt. Dans les 250 000 étoiles de Xiang et Rix, la coupure passe à huit milliards d'années, et le Soleil, avec ses 4,57, se tient sans ambiguïté du côté récent. La forge des étoiles massives, qui fabrique l'oxygène et le silicium puis s'arrête au fer ; les naines blanches qui explosent et donnent la moitié du fer ; les fusions d'étoiles à neutrons, et peut-être les sursauts de magnétars, qui font l'or ; l'assemblage agité de la Voie lactée : tout cela s'est produit avant lui. Plus de neuf milliards d'années de ces opérations ont précédé sa naissance, et leurs produits se trouvaient dans le gaz dont il est né.

Une autre coïncidence de dates tombe à ce moment. Depuis un peu moins de dix milliards d'années après le Big Bang — plus de 9,8 selon les chronologies de référence —, l'expansion de l'Univers est menée par l'énergie noire, et depuis elle accélère. L'écart avec la naissance du Soleil est d'environ six cents millions d'années, deux semaines de l'année cosmique. Le rapprochement n'est qu'un repère : le Soleil appartient à l'Univers qui accélère, et le chapitre du tournant y reviendra. L'un tient à la dilution de la matière dans un Univers qui grandit, l'autre à l'effondrement d'un nuage de gaz dans une galaxie parmi des centaines de milliards ; rien ne relie les deux.

Quatorze grammes sur mille

La composition du Soleil se lit dans sa lumière. La photosphère, la couche d'où s'échappe la lumière visible et qu'on appelle couramment la surface du Soleil, absorbe certaines longueurs d'onde, et chaque élément y laisse des raies qui lui sont propres, un peigne de traits sombres qui n'est pas le même pour le fer, pour le calcium, pour l'hydrogène. En 2021, Martin Asplund, Anish Amarsi et Nicolas Grevesse publient une nouvelle synthèse de ces mesures. Un kilogramme de surface solaire, pesé d'après elle, contient 744 grammes d'hydrogène, 242 grammes d'hélium et 14 grammes de tout le reste — 74,4 %, 24,2 % et 1,39 %, que les astronomes notent X, Y et Z ; la dernière, qu'ils appellent la métallicité, vaut 0,0139 à 0,0006 près.

Ces quatorze grammes résument la partie du livre qui s'achève ici. Du carbone, de l'oxygène, de l'azote, du silicium, du fer, et à l'état de traces de l'or et du platine : tout ce que l'astronomie range sous le mot « métaux ». Aucun d'eux, à quelques traces de lithium près, n'existait à la sortie des premières minutes. Tous ont été faits dans des étoiles ou dans leurs catastrophes, rejetés dans le gaz de la Galaxie, repris par les étoiles suivantes ; la forge a dit lequel vient d'où.

Les 744 grammes demandent autant d'attention que les 14. Les étoiles ne fabriquent pas d'hydrogène : elles en consomment, et leur premier travail est de le changer en hélium. Les sept cent quarante-quatre grammes du Soleil viennent donc des premières minutes de l'Univers, et neuf milliards d'années d'étoiles n'y ont pas ajouté un atome. La formule qui fait de nous une « poussière d'étoiles » est vraie des quatorze grammes et fausse des sept cent quarante-quatre ; elle vaut de même pour nos corps, où aucun atome d'hydrogène, où qu'il se trouve, n'est sorti d'une étoile.

L'hélium pose une question plus fine. Les premières minutes en avaient laissé environ un quart de la masse — 24,5 %, d'après les galaxies les plus pauvres en métaux —, et pendant les neuf milliards d'années qui ont précédé le Soleil, les étoiles ont changé de l'hydrogène en hélium et en ont rendu une partie au gaz en mourant. On attend donc dans le Soleil plus d'hélium que dans le gaz primordial. Sa photosphère en montre 24,2 %, à un demi-point près : autant, ou à peine moins.

Ce manque est l'indice le plus visible d'une première réserve. Les valeurs d'Asplund et de ses coauteurs sont celles de la surface actuelle, un peu modifiée depuis la naissance de l'étoile ; la composition du nuage d'origine ne se lit pas, elle se déduit de la surface en corrigeant ce que 4,57 milliards d'années ont changé. La seconde réserve est plus embarrassante. Les modèles qui calculent la structure de l'intérieur du Soleil à partir de sa composition ne s'accordent pas avec les abondances mesurées à la surface ; le désaccord porte un nom, le « problème de modélisation solaire », et il « reste entier », écrivent les auteurs en 2021. Trois portes restent ouvertes : une surface mal mesurée, une surface qui représente mal l'intérieur, une physique que les modèles ignorent. Les quatorze grammes sont une mesure solide de la surface ; ce qu'il y avait dans le nuage se déduit, à travers un modèle qui ne s'accorde pas encore avec l'étoile.

Ce qui ne se compte pas

On lit souvent que le Soleil serait une étoile de troisième génération, ou de quatrième, et ce nombre ne se compte pas — pas faute de mesures. Une lignée se compte parce que chaque génération y descend d'une seule précédente ; le gaz d'une galaxie ne descend de personne en particulier, il mêle les rejets d'étoiles de toutes masses, mortes à toutes les époques. Dans les quatorze grammes, l'oxygène d'une étoile massive morte quelques millions d'années avant la naissance du Soleil côtoie le fer d'une naine blanche formée des milliards d'années plus tôt. Deux atomes voisins n'ont pas la même histoire.

Ce qui se mesure, c'est la profondeur du mélange. Pendant les cinq à six milliards d'années qui ont suivi le début du disque ancien de la Galaxie, l'enrichissement du gaz a été multiplié par dix. Les vieilles étoiles du halo, celles où l'on mesure le lithium des premières minutes, descendent à des teneurs en fer des centaines de fois plus faibles que celle du Soleil. Le Soleil se tient à l'autre bout de cette échelle.

Un lieu qu'il a quitté

Le Soleil tourne aujourd'hui autour du centre de la Galaxie, dans son disque, et l'on a longtemps pu croire qu'il était né à peu près sur cette orbite ; or il est plus riche en métaux que ses voisines du même âge. Parmi les étoiles nées à la même époque que lui, il a reçu plus d'éléments forgés que celles qui l'entourent aujourd'hui.

Le disque a une propriété : son gaz est d'autant plus riche en métaux qu'il est proche du centre, où les étoiles se forment en plus grand nombre et enrichissent le gaz plus vite. Une étoile trop riche pour son voisinage et pour son âge s'est donc vraisemblablement formée plus au centre, là où le gaz de son époque avait déjà cette richesse, puis a migré vers l'extérieur. Elle peut faire ce chemin sans rien perdre : son atmosphère garde, pour l'essentiel, la composition du gaz dont elle est née, et le gaz l'a posée une fois pour toutes. Ce qui change, c'est le rayon de son orbite ; les astronomes appellent cela une migration radiale.

Takuji Tsujimoto et ses coauteurs montrent en 2026 que ce déplacement est fréquent. Ils prennent 6 594 « jumeaux solaires », des étoiles dont les propriétés mesurées sont très proches de celles du Soleil, repérées dans la troisième publication de données du satellite Gaia, qui donne, en plus des positions et des mouvements, des paramètres tirés de la lumière de millions d'étoiles, et ils en établissent la distribution des âges. Parmi ces jumeaux proches de nous, ceux de 4 à 6 milliards d'années sont nombreux ; cette population fournit selon eux une preuve « convaincante » que la migration du Soleil sur une longue distance, 3 kiloparsecs ou plus — près de dix mille années-lumière —, « est partagée par de nombreuses étoiles du disque interne ».

L'argument se lit ainsi. Si le Soleil était une exception, une étoile venue de loin par accident, on trouverait peu d'étoiles comme lui dans son voisinage actuel. Or celles qui lui ressemblent et qui ont à peu près son âge abondent autour de lui ; elles partagent sa richesse en métaux, donc vraisemblablement son origine, et leur nombre signale un déplacement collectif plutôt qu'un voyage isolé. Le Soleil a migré avec une foule d'étoiles venues du disque interne.

Deux points restent ouverts. Le rayon de naissance exact du Soleil, d'abord, que « 3 kiloparsecs ou plus » fixe en ordre de grandeur et non en lieu. La cause du déplacement collectif, ensuite, que Tsujimoto et ses coauteurs relient, peut-être, à l'époque où s'est formée la barre de la Galaxie, la structure allongée d'étoiles qui occupe sa région centrale : une hypothèse des auteurs, que mettrait à l'épreuve une date de formation de la barre obtenue indépendamment, par les âges de ses étoiles, et comparée aux 4 à 6 milliards d'années de la population migrante. Le Soleil est né dans une région de la Galaxie plus active et plus riche que celle où il se trouve ; son héritage de quatorze grammes est celui d'un lieu qu'il a quitté.

Deux uraniums dans la même pierre

Dater la naissance du Soleil ne se fait pas en observant le Soleil : on date des pierres. Certaines météorites, les chondrites, n'ont jamais fondu ; elles gardent les briques du disque qui entourait le jeune Soleil — des gouttelettes de silicate figées, des grains réfractaires, une matrice de poussière fine. Pour lire leur âge, on se sert de la radioactivité. Certains noyaux sont instables et se transforment spontanément en d'autres, selon une règle simple : au bout d'une durée fixe, propre à l'espèce, qu'on appelle demi-vie, la moitié des noyaux s'est transformée ; au bout de deux demi-vies, les trois quarts. La quantité de noyaux transformés mesure le temps écoulé — à condition de savoir combien il y en avait au départ, et c'est cette condition qui gêne.

L'uranium naturel existe sous deux formes, deux isotopes de même chimie et de masses différentes. L'uranium 238 se transforme, par une chaîne de désintégrations, 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. Depuis la naissance du Système solaire, le premier a traversé à peu près une demi-vie, il en reste la moitié ; le second plus de six, il en reste un pour cent : dans le même grain, l'un est à moitié, l'autre presque épuisé. Au début, l'uranium pressé produisait du plomb 207 en abondance ; puis, à mesure qu'il s'épuisait, cette production a ralenti, pendant que celle du plomb 206 continuait à un rythme presque régulier. Le rapport entre les deux plombs change donc avec le temps, d'une manière entièrement fixée par les deux demi-vies et par le rapport entre les deux uraniums.

Là est tout l'intérêt : la quantité d'uranium que contenait la pierre à l'origine n'intervient pas. Une pierre riche en uranium fabrique plus de plomb qu'une pierre pauvre, mais les deux plombs y sont produits dans la même proportion, et le rapport entre eux suffit à donner un âge, sans qu'on ait besoin de connaître la concentration d'uranium. Deux comptes qui avancent à des vitesses différentes dans la même pierre se lisent l'un par l'autre.

La méthode a daté les météorites dès 1956. Cette année-là, le géochimiste américain Clair Patterson obtient pour elles un âge d'environ 4,55 milliards d'années. La valeur actuelle, 4,567, n'en diffère que de 17 millions d'années, moins de 0,4 % ; la méthode a été affinée depuis, pas remplacée.

L'une des corrections modernes touche au cœur du mécanisme. Le rapport des deux plombs dépend du rapport des deux uraniums, qu'on a longtemps supposé le même dans toutes les météorites ; il varie en réalité de l'une à l'autre, et une valeur supposée constante, appliquée à une pierre qui s'en écarte, fausse l'âge calculé. Les datations modernes le mesurent donc dans l'échantillon lui-même, et la valeur révisée est de 137,786, à 0,013 près. Il y a aujourd'hui, dans une pierre, cent trente-huit atomes d'uranium 238 pour un seul d'uranium 235, et ce rapport, on ne le suppose plus : on le compte.

Ce que la date désigne

Parmi les grains des chondrites, certains sont faits de minéraux de calcium et d'aluminium qui ne se forment qu'à très haute température : les inclusions réfractaires, ou CAI, tenues pour la première matière solide du Système solaire. Leur âge est assimilé à son origine cosmochimique, que les spécialistes notent t = 0. Quatre CAI datées par le plomb-plomb donnent 4 567,30 millions d'années, à 0,16 million près ; c'est de là que vient la soustraction du début de ce chapitre.

Ce que la date mesure demande d'être dit exactement. C'est l'âge des premiers solides du disque qui entourait le jeune Soleil, pas celui du Soleil au sens strict. Le Soleil s'est formé par l'effondrement d'un nuage ; le disque qui l'entourait a ensuite condensé ses premiers grains ; ces grains sont ceux qu'on date. Entre le début de l'effondrement et la formation des CAI, il s'est écoulé un temps que le plomb-plomb ne mesure pas.

Ce délai a été estimé. Un modèle publié en 2024 par Peter Woitke et ses coauteurs fait naître les CAI dans les 50 000 premières années de l'évolution du disque — un résultat de modèle, non une mesure, et qui ne couvre pas la phase d'avant le disque. Mais cinquante mille ans font le tiers de l'incertitude sur l'âge des CAI, qui est de 160 000 ans, et un peu moins de deux minutes de l'année cosmique. À l'échelle de ce livre, la naissance du Soleil et l'âge du Système solaire se confondent, et ce chapitre emploie les deux expressions pour le même instant.

Le vocabulaire des cosmochimistes est plus prudent que celui du récit. Ils ne parlent pas de naissance mais de t = 0, l'origine à partir de laquelle on compte, comme la cosmologie parle du « début » sans prétendre dater un instant zéro. Pour eux aussi, une origine commode peut se révéler moins bien fixée qu'on ne le croyait.

Un million d'années

Le plomb-plomb n'est pas la seule façon de compter dans une météorite. L'aluminium 26, une forme radioactive de l'aluminium, se transforme en magnésium 26 avec une demi-vie d'environ 0,72 million d'années. Disparu depuis longtemps, il a laissé dans les minéraux formés tôt un excès de magnésium 26, d'autant plus grand que le minéral est ancien. Ce compte, dont le chapitre suivant détaille le principe, ne donne pas d'âge en années : il donne l'écart de temps entre la formation de deux objets, à condition que l'aluminium 26 ait été réparti de la même façon dans tout le disque d'origine. C'est cette condition que teste l'article de Steven Desch et de ses coauteurs en 2023, dont le titre annonce « un test de l'homogénéité de l'aluminium 26 ».

Les deux méthodes se complètent : l'une donne des âges absolus, en millions d'années avant le présent, l'autre des écarts très fins entre objets anciens, et si les deux sont justes, elles doivent concorder. Desch et ses coauteurs les confrontent sur des achondrites, des météorites issues de corps qui ont fondu, et parmi elles celles qui se sont refroidies vite, parce qu'un refroidissement rapide garantit que les deux comptes ont commencé au même instant. Pour ces pierres, on connaît à la fois l'âge absolu par le plomb et l'écart au t = 0 par l'aluminium ; on en déduit la date du t = 0 lui-même. Le résultat est 4 568,42 millions d'années, à 0,24 près, « significativement plus ancienne », écrivent-ils, que les quelque 4 567,3 millions mesurés directement sur les CAI. L'écart est d'environ 1,1 million d'années, plusieurs fois les incertitudes déclarées de part et d'autre ; les deux valeurs ne peuvent pas être justes ensemble.

Leur explication : le plomb de certaines CAI aurait été perturbé après leur formation. Si des CAI ont perdu une partie de leur plomb, ou en ont échangé avec leur environnement, leur plomb-plomb indique un âge trop jeune ; la mesure directe serait biaisée, et le détour par les achondrites donnerait la bonne valeur. Ils en tirent une recommandation de méthode : dater les événements du début du Système solaire en écart au t = 0 plutôt qu'en âge absolu, parce que les écarts sont plus sûrs que la position de l'origine.

Une seconde équipe va dans le même sens. Maxime Piralla et ses coauteurs, en 2023 également, combinent l'aluminium-magnésium et le plomb-plomb en une chronologie unifiée et réévaluent l'âge des CAI à 4 568,7 millions d'années. Deux équipes, par des chemins voisins, trouvent donc une origine plus ancienne d'environ un million d'années que la mesure directe. Rapporté à l'âge du Système solaire, cet écart vaut 0,02 % ; sur l'année cosmique, trois quarts d'heure environ, aux premières heures du 2 septembre. Pour le récit cosmique, il ne change rien : le Soleil naît toujours tard, environ 9,2 milliards d'années après le Big Bang, aux deux tiers de l'histoire, et l'incertitude sur l'âge de l'Univers lui-même, qui dépend du modèle standard et de ses tensions, dépasse de loin ce million d'années.

Ce qui départagerait se laisse énoncer : des CAI dont le plomb est démontré intact, et dont l'âge plomb-plomb coïncide, ou non, avec le t = 0 déduit de l'aluminium ; et la confirmation que l'aluminium 26 était bien réparti de façon homogène dans le disque, puisque toute la construction de Desch et de ses coauteurs en dépend — si l'homogénéité tombait, l'argument contre les 4 567,3 millions d'années tomberait avec elle. Pour la formation des planètes, en revanche, un million d'années compte beaucoup. Les premiers petits corps du Système solaire interne se sont formés moins de 0,3 million d'années après les CAI ; le noyau de Jupiter aurait atteint une vingtaine de masses terrestres en moins d'un million d'années. Sur une chronologie de cette finesse, déplacer le t = 0 d'un million d'années déplace d'autant chaque événement daté en âge absolu — d'où la recommandation : les écarts mesurés par rapport au t = 0 restent valables quelle que soit la date du t = 0 lui-même.

Ce t = 0, à 4 567 ou 4 568 millions d'années avant le présent, ferme l'inventaire de la matière. L'hydrogène du premier jour et les quatorze grammes faits par les étoiles et leurs catastrophes sont réunis autour d'une étoile neuve ; autour d'elle, le disque qui a condensé les CAI va agréger ses grains en corps de plus en plus gros, jusqu'aux embryons de planètes, et c'est en écarts au t = 0, comme le recommandent Desch et ses coauteurs, que le chapitre suivant le raconte. La suite ne fabrique plus d'éléments ; elle les trie et les assemble.