Fiche

De la nébuleuse à la Terre : premiers solides, planètes, Lune, océans et oxygène, et comment on les date

La chronologie qui mène du disque de gaz et de poussière du jeune Soleil à une Terre dotée d'une Lune, d'océans et, bien plus tard, d'oxygène, avec pour chaque étape sa date, sa méthode, le degré de consensus et sa place dans l'année cosmique.

Sert : Le Soleil arrive tard · Le disque et les planètes · La Terre et la Lune · L'eau, les océans et l'air · Les dernières secondes de décembre · Qui raconte ?

établi datation relative au t = 0 (CAI) par radioactivités éteintes (²⁶Al, ¹⁸²Hf) ; premiers planétésimaux internes ≲ 0,3 Ma après les CAI ; fusion des corps > 20 km formés avant 2 Ma (²⁶Al) ; deux réservoirs isotopiques (NC, CC) ; disque gazeux dissipé vers 4–5 Ma ; noyau terrestre ≳ 30 Ma ; zircon de Jack Hills 4 404 ± 8 Ma ; gneiss d'Acasta 4,02 Ga ; première montée de l'oxygène vers 2,43 Ga
débattu âge absolu du t = 0 (4 567,3 contre 4 568,4–4 568,7 Ma) ; durée de formation des chondres (1 Ma ou 3 Ma) ; croissance par galets ou par collisions ; Jupiter comme barrière entre réservoirs ; mécanisme de l'impact géant (« crise isotopique ») ; âge de la Lune (≈ 4,51 contre ≈ 4,35 Ga) ; âge de Nuvvuagittuq (3,75 à 4,3 Ga) ; origine de l'eau terrestre ; Grand Bombardement tardif ; solution au paradoxe du Soleil jeune pâle
récent instabilité des planètes géantes vers 11 Ma (thermochronologie, 2024) ; refonte de la Lune par marées vers 4,35 Ga, Lune formée entre 4,43 et 4,53 Ga (2024) ; chondrites à enstatite assez riches en hydrogène pour l'eau terrestre (2020) ; oxygénation instable pendant 200 Ma, permanente vers 2,22 Ga (2021) ; filon de gabbro de Nuvvuagittuq à 4 157 Ma (2025)
hypothèse atmosphère dégazée oxydée (H₂O, CO₂) comme scénario standard ; océans liquides dès ≈ 4,4 Ga (d'après l'oxygène des zircons) ; durée de solidification de l'océan de magma (10⁵ à 10⁸ ans)
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Écrite pour répondre à une question : Comment le disque qui entourait le jeune Soleil a-t-il donné les planètes, la Terre et la Lune, puis des océans et une atmosphère, et comment date-t-on chacune de ces étapes ?


1. Deux horloges : l'écart au t = 0 et l'âge absolu

La fiche des-etoiles-a-nous (section 7) fixe l'origine : les inclusions riches en calcium et aluminium (CAI) des chondrites sont les plus vieux solides du Système solaire, et leur âge sert de « t = 0 » cosmochimique Woitke 2024. L'âge absolu de ce t = 0 est discuté : 4 567,30 ± 0,16 Ma par plomb-plomb sur les CAI Woitke 2024 Connelly 2012, contre 4 568,42 ± 0,24 Ma si l'on accorde le plomb-plomb à l'aluminium 26 Desch 2023. Desch et al. recommandent pour cette raison de dater les événements par rapport au t = 0 plutôt qu'en âge absolu Desch 2023. La présente fiche suit cette règle pour les premiers millions d'années.

Deux familles d'horloges se complètent. Les radioactivités éteintes (²⁶Al → ²⁶Mg, demi-vie ≈ 0,72 Ma ; ¹⁸²Hf → ¹⁸²W, demi-vie ≈ 8,9 Ma) ne servent qu'au début, tant que l'isotope père existe. Elles donnent des écarts relatifs très fins Lichtenberg 2023. Le couple hafnium-tungstène date la formation des noyaux métalliques : l'hafnium reste dans le silicate, le tungstène suit le fer Lichtenberg 2023. Les horloges longues (²³⁵U → ²⁰⁷Pb, 704 Ma ; ²³⁸U → ²⁰⁶Pb, 4,47 Ga) donnent des âges absolus, surtout sur les zircons Lichtenberg 2023. Pour situer la suite sur l'année cosmique, voir la section 11.

2. Les premiers solides et les premiers petits corps

Les chondrites, météorites non fondues, gardent les briques du disque : des chondres (gouttelettes de silicate fondu, de taille millimétrique ou moins), des CAI et une matrice de poussière fine Lichtenberg 2023. Les corps parents des météorites différenciées (achondrites, fers) ont fondu : on les date en croisant âges radiométriques et modèles thermiques Lichtenberg 2023.

Le résultat principal des dernières années est la précocité. Les premiers planétésimaux connus du Système solaire interne se sont formés moins de 0,3 Ma après les CAI ; ceux du Système solaire externe environ 1 Ma plus tard (temps d'accrétion moyens de 1,08 ± 0,05 Ma contre 2,27 ± 0,10 Ma) Lichtenberg 2023. Leur source de chaleur était l'aluminium 26 : les corps de plus de 20 km de rayon formés dans les 2 Ma suivant les CAI ont probablement fondu entièrement Lichtenberg 2023. D'où un ordre inattendu : les plus anciens planétésimaux sont les corps différenciés (fers, achondrites), et les chondrites, plus primitives, viennent de corps formés plus tard Lichtenberg 2023. Le mécanisme privilégié pour les former est l'effondrement gravitationnel de nuages de « galets » (instabilité de courant), qui produit directement des corps d'environ 100 km Lichtenberg 2023.

Ce qui reste débattu : les chondres et le mode de croissance

La durée de formation des chondres n'est pas tranchée. Datés au plomb-plomb, leurs âges s'étalent de 4 567,32 ± 0,42 à 4 564,71 ± 0,30 Ma, soit environ 3 Ma à partir des CAI Connelly 2012. Bollard et al. (22 chondres datés individuellement) concluent au contraire que leur production primaire s'est limitée au premier million d'années, suivie d'un long recyclage Bollard 2017. La croissance au-delà des planétésimaux fait aussi débat : par collisions entre planétésimaux, ou par capture de galets en dérive dans le disque (« pebble accretion ») Lichtenberg 2023.

3. Jupiter, les deux réservoirs et la fin du disque

Les météorites se rangent en deux super-familles isotopiques, dites « carbonées » (CC) et « non carbonées » (NC). On les interprète comme le Système solaire externe et le Système solaire interne ; la Terre est un mélange des deux Lichtenberg 2023. D'après les isotopes du molybdène et du tungstène des fers météoritiques, ces deux réservoirs ont coexisté sans se mélanger entre ~1 Ma et ~3–4 Ma Kruijer 2017. Kruijer et al. jugent que le mécanisme « le plus plausible » est l'ouverture d'un sillon dans le disque par Jupiter. Son noyau aurait atteint ~20 masses terrestres en moins de 1 Ma, puis ~50 vers 3–4 Ma, ce qui en ferait la plus vieille planète Kruijer 2017. La barrière de Jupiter reste une interprétation, et non une mesure.

Le gaz du disque se dissipe vers 4–5 Ma, une datation fondée sur le paléomagnétisme des météorites Lichtenberg 2023. Privées de ce frein, les orbites des embryons se déstabilisent : c'est l'étape des impacts géants Lichtenberg 2023. Une étude thermochronologique récente (⁴⁰K-⁴⁰Ar) situe un bombardement de la ceinture d'astéroïdes, attribué à l'instabilité des planètes géantes, à 11,3 (+9,5/−6,6) Ma après la naissance du Soleil Edwards 2024. Ce résultat récent va dans le sens des modèles qui placent cette instabilité tôt Lichtenberg 2023.

4. L'assemblage de la Terre et la formation du noyau

Mars a grandi vite. Elle aurait atteint la moitié de sa masse en 1,8 (+0,9/−1,0) Ma et achevé l'essentiel de son accrétion en ~10–15 Ma Lichtenberg 2023. Son noyau se serait formé entre 2–4 Ma et 10–15 Ma selon les auteurs Lichtenberg 2023. Mars est ainsi, sans doute, un embryon planétaire resté à l'état d'embryon.

La Terre a pris plus de temps. Pendant la vie du disque, la proto-Terre n'aurait pas dépassé ~0,6 masse terrestre Lichtenberg 2023. Mesurée par le couple hafnium-tungstène, la formation de son noyau, et donc la fin de sa phase d'accrétion principale, date d'environ 30 Ma ou plus après le t = 0. Certaines estimations la repoussent jusqu'à 142 ± 25 Ma, avec l'impact qui a formé la Lune Lichtenberg 2023. Les chiffres varient parce que le métal de l'impacteur ne s'équilibre pas forcément avec le manteau terrestre. La séparation en couches (noyau, manteau, puis croûte) n'est donc pas un instant, mais une série d'épisodes que chaque horloge date à sa manière Lichtenberg 2023.

Après le dernier impact géant, un « placage tardif » de matière chondritique (au plus 0,5 à 0,8 % de la masse de la Terre) expliquerait l'excès, dans le manteau, de fer, d'or ou de platine, qui auraient dû couler dans le noyau Lichtenberg 2023.

5. La Lune : un impact géant, mais lequel, et quand ?

Depuis la conférence de 1984, l'hypothèse dominante est celle d'un impact géant. Elle explique la rotation rapide de la Terre primitive, le petit noyau de la Lune, la similitude des isotopes de l'oxygène et la Lune chaude à sa naissance Canup 2021. Le modèle « canonique » (un impacteur de la taille de Mars en fin d'accrétion) rend compte de la dynamique. Il prédit pourtant une Lune faite surtout de l'impacteur, alors que la Terre et la Lune ont des compositions isotopiques presque identiques. Certains parlent d'une « crise isotopique » du modèle Canup 2021. De nombreux scénarios d'impact concurrents ont été proposés Canup 2021. L'impact géant n'est donc pas contesté ; ses paramètres le sont.

L'âge est l'autre dispute. Avant 2017, les estimations allaient d'environ 4,45–4,47 Ga à 4,35–4,42 Ga, soit ~150 à 200 Ma après le t = 0 Barboni 2017. Par uranium-plomb et lutécium-hafnium sur des zircons d'Apollo 14, Barboni et al. concluent à une croûte lunaire différenciée dès 4,51 Ga, donc à une Lune formée dans les ~60 premiers Ma Barboni 2017. En 2024, Nimmo, Kleine et Morbidelli expliquent l'amas d'âges vers 4,35 Ga par une refonte due aux marées, sans rapport avec la naissance de la Lune. Ils placent cette naissance « probablement » entre 4,43 et 4,53 Ga Nimmo 2024. La tendance récente favorise une Lune ancienne, mais sans consensus.

6. Les plus vieux minéraux et les plus vieilles roches

Il ne reste presque rien de la croûte de l'Hadéen (~4,0 à 4,567 Ga). La plus vieille roche entière connue a 4,02 Ga : c'est le complexe de gneiss d'Acasta, au Canada Lichtenberg 2023. Pour remonter plus loin, il faut les zircons détritiques des Jack Hills (Australie), des grains dont l'âge atteint ~4,4 Ga Lichtenberg 2023. Le record est un zircon de 4 404 ± 8 Ma Wilde 2001. L'âge d'un grain de 4,4 Ga a été confirmé par tomographie à sonde atomique, ce qui écarte l'objection d'un plomb déplacé Valley 2014. Les zircons résistent à presque tout, et leurs traces renseignent sur la croûte, l'état d'oxydation et le climat de la Terre hadéenne Lichtenberg 2023. Il faut toutefois le dire clairement : on date des minéraux de 4,4 Ga, pas des roches.

Nuvvuagittuq : la plus vieille roche, peut-être

La ceinture de roches vertes de Nuvvuagittuq (Québec) est datée, selon la méthode, de ~3,75 Ga (uranium-plomb sur des zircons de granites qui la recoupent) à 4,32 Ga (samarium-néodyme) wiki-nuvvuagittuq. Ses roches basaltiques n'ont presque pas de zircons propres, d'où la controverse wiki-nuvvuagittuq. En 2025, un filon de gabbro qui la recoupe a été daté de 4 157 Ma, âge minimal favorable à une origine hadéenne wiki-nuvvuagittuq.

7. D'où vient l'eau ?

La Terre contient, en tout (manteau, océan, atmosphère), l'équivalent d'environ 3 à 11 océans Lichtenberg 2023. Dans le disque, la glace ne se condensait qu'au-delà de la « ligne des glaces » (température inférieure à 170 K). La région où se formaient les planètes rocheuses était trop chaude pour que l'eau y soit incorporée sur place sous forme de glace Izidoro 2022. Deux pistes s'opposent sans s'exclure :

La part des comètes est jugée faible, et la dissolution d'hydrogène du disque dans l'océan de magma reste discutée Lichtenberg 2023. Le placage tardif était probablement sec, ce qui situe l'essentiel de l'apport d'eau plus tôt dans l'accrétion Lichtenberg 2023.

8. L'atmosphère d'origine et les premiers océans

La Terre a eu plusieurs atmosphères successives. Une enveloppe primordiale d'hydrogène et d'hélium, captée dans le disque, a pu exister. Mais le fort appauvrissement de la Terre en néon et en argon indique que les impacts géants ont arraché ses atmosphères Lichtenberg 2023. Après l'impact lunaire, la surface est un océan de magma surmonté d'une atmosphère de vapeur de silicates, puis de volatils dégazés. La solidification complète d'une planète comme la Terre prend 10⁵ à 10⁸ ans selon les modèles Lichtenberg 2023. La nature du dégazage dépend de l'état d'oxydation du manteau : H₂O et CO₂ si le manteau est oxydé, H₂, CO ou CH₄ s'il est réduit. Le dégazage oxydé est « aujourd'hui considéré comme le scénario standard » pour la Terre Lichtenberg 2023.

Une fois l'océan de magma refroidi, la vapeur se condense : c'est le premier océan. L'indice le plus ancien est indirect. La composition en oxygène du zircon de 4,4 Ga suggère un magma ayant incorporé de la matière altérée à basse température par une hydrosphère liquide Wilde 2001. D'après les zircons, de l'eau liquide aurait été présente en surface dès ≳ 150 Ma après le t = 0 Lichtenberg 2023. Ce n'est pas une observation d'océan ; c'est une inférence, largement acceptée.

Le Grand Bombardement tardif (pic d'impacts vers 4,1–3,8 Ga, déduit des âges de roches lunaires) est aujourd'hui contesté. Les âges argon-argon posent problème, et le bassin d'Imbrium a pu contaminer les échantillons d'Apollo. Le relevé des impacts pourrait aussi s'expliquer par un déclin graduel Lichtenberg 2023. Ce que de gros impacts auraient fait à un océan déjà formé est détaillé dans impacts-et-oceans : l'océan entier vaporisé au-delà de quelques centaines de kilomètres d'impacteur, son retour en pluie au bout d'un millier à quelques milliers d'années, et peut-être plusieurs épisodes de ce genre jusque vers 4,3 Ga. Ces chiffres dépendent justement de ce flux d'impacts discuté.

9. L'arrivée de l'oxygène

Pendant la moitié de son histoire, la Terre a eu une atmosphère sans oxygène libre. La Grande Oxydation commence vers 2,43 Ga : l'oxygène y dépasse pour la première fois 10⁻⁵ du niveau actuel Poulton 2021. Les isotopes du soufre et les systèmes fer-soufre-carbone montrent ensuite qu'il a oscillé pendant environ 200 Ma. L'oxygénation n'est devenue permanente que vers 2,22 Ga, avec l'excursion isotopique du carbone de Lomagundi Poulton 2021. Le début (2,43 Ga) est bien établi ; le caractère instable et la date de 2,22 Ga sont des résultats récents d'une équipe. La production biologique de cet oxygène relève d'une fiche à venir sur la vie.

10. Un Soleil jeune et pâle

Selon les modèles d'évolution stellaire, la Terre primitive recevait environ 25 % d'énergie solaire en moins qu'aujourd'hui Feulner 2012. Avec l'atmosphère actuelle, elle aurait dû être gelée pendant ses deux premiers milliards d'années. Or la géologie montre de l'eau liquide à l'Archéen (3,8–2,5 Ga), et la vie y apparaît Feulner 2012. La plupart des solutions invoquent davantage de gaz à effet de serre (CO₂, méthane, ammoniac), mais selon Feulner « toutes présentent des difficultés considérables », et le problème reste ouvert Feulner 2012.

11. Sur l'année cosmique

Calcul simple : 13,8 Ga ramenés à 365 jours donnent 1 jour ≈ 37,8 Ma, 1 heure ≈ 1,6 Ma, 1 minute ≈ 26 000 ans. Le t = 0 (≈ 4 567–4 568 Ma) tombe alors le 2 septembre, vers 4 h. La frise-cosmique dit « fin août », en arrondissant l'âge solaire aux deux tiers de l'histoire cosmique ; il faudra harmoniser. L'écart entre 4 567,3 et 4 568,7 Ma ne vaut qu'une cinquantaine de minutes.

Étape Écart au t = 0 ou âge Année cosmique
CAI (t = 0) 0 2 sept., ~4 h
Premiers planétésimaux internes ≲ 0,3 Ma + ~10 min
Noyau de Jupiter (~20 M⊕) < 1 Ma + < 40 min
Chondres 0–1 ou 0–3 Ma + 40 min à 2 h
Disque dissipé 4–5 Ma 2 sept., ~7 h
Mars pour l'essentiel 10–15 Ma 2 sept., 10–14 h
Instabilité des géantes ~11 Ma 2 sept., ~11 h
Noyau terrestre ≳ 30 Ma 2 sept., ≳ 23 h
Lune 4,53–4,43 Ga 3 au 5 sept.
Plus vieux zircon 4 404 Ma 6 sept., ~midi
Refonte lunaire ~4,35 Ga 8 sept.
Gneiss d'Acasta 4,02 Ga 16 sept.
Oxygène (début) 2,43 Ga 28 oct.
Oxygène (permanent) 2,22 Ga 3 nov.

Tout ce qui fait la Terre (planétésimaux, Jupiter, noyau, peut-être la Lune) tient dans les deux ou trois premiers jours de septembre. L'oxygène, lui, n'arrive qu'à la Toussaint cosmique.

Ce que le livre peut en tirer

Pour le récit. Un contraste d'échelles fort : dans l'année cosmique, les premiers solides, les petits corps fondus par l'aluminium 26, le cœur de Jupiter et la dispersion du disque tiennent dans la matinée du 2 septembre. La Terre, plus lente, n'a son noyau qu'en fin de journée. La Lune naît d'un choc entre le 3 et le 5 septembre. Les plus vieux grains de Terre, des zircons australiens, datent du 6. L'oxygène n'arrive qu'à la fin octobre, et n'y reste qu'au début novembre. Autre fil : un Soleil un quart moins brillant, et pourtant de l'eau liquide. C'est une énigme non résolue, qu'on peut raconter comme telle.

Pour l'essai. (1) Dater en écarts au t = 0 (Desch 2023) : les radioactivités éteintes donnent l'ordre fin, le plomb-plomb l'ancrage absolu. (2) Distinguer ce qui est mesuré (âges des météorites, des zircons, Hf-W) de ce qui est interprété (Jupiter comme barrière, mécanisme de l'impact lunaire, océans hadéens). (3) Le nuage devenu Terre : la Terre est un mélange des réservoirs interne et externe du disque. Cela répond en partie à la question laissée ouverte par le chapitre 16 (^60d6) : la matière de la Terre est bien celle du disque solaire, mais triée et mélangée.

Contresens à éviter. Ne pas écrire que la Terre et le Système solaire ont le même âge : la Terre achève son accrétion ≳ 30 Ma plus tard. Ne pas écrire « la plus vieille roche a 4,4 Ga » : ce sont des minéraux ; la plus vieille roche sûre a 4,02 Ga. Ne pas donner un âge unique de la Lune. Ne pas présenter le Grand Bombardement tardif comme établi. Ne pas écrire que l'oxygène est apparu d'un coup en 2,4 Ga. Ne pas dire que l'eau vient des comètes.

À vérifier avant publication. Wilde et al. 2001 (Nature, non lu : chiffre repris d'un résumé de recherche et recoupé par Lichtenberg et al.) ; Connelly et al. 2012 (toujours non lu) ; Piani et al. 2020 (lu via communiqué) ; âges de Nuvvuagittuq (via Wikipédia) ; l'année cosmique de la frise (« fin août ») à harmoniser avec le 2 septembre calculé ici.

Voisines

Sources

Voisines

Des étoiles à nous : la forge des éléments, l'assemblage de la Voie lactée et la date de naissance du SoleilImpacts et océans : ce que les modèles disent d'un océan hadéen frappé par un gros astéroïdeLa frise du cosmos : du « premier instant » à aujourd'huiLe temps cosmique : quelle horloge date l'Univers, et ce que « en même temps » veut dire à son échelleL'eau cachée : ce que contiennent le manteau et le noyau, et ce que les impacts géants ont pu emporterLa ligne des glaces : où elle passait, comment elle a reculé, et ce qui la sépare de la frontière NC/CCLes sources mineures de l'eau : placage tardif, comètes, hydrogène du disqueL'oxygène des zircons hadéens : ce que mesurent Wilde et Mojzsis (2001), et ce qu'on leur a objecté