Écrite pour répondre à une question : Où passait la ligne des glaces du disque solaire, comment a-t-elle reculé vers le Soleil, et comment se place-t-elle par rapport à la frontière isotopique NC/CC et à Jupiter : frontière thermique, dynamique, ou les deux ?
1. Une température, pas un lieu
La fiche de-la-nebuleuse-a-la-terre (section 7) définit la ligne des glaces par une température : au-delà, la glace d'eau se condense, car il y fait moins de 170 K Izidoro 2022. C'est donc d'abord un seuil thermique, et sa distance au Soleil suit l'état du disque. Le chiffre de référence remonte à la « nébuleuse de masse minimale » de Hayashi (1981), qui place ce seuil de 170 K à 2,7 UA. Les auteurs qui la discutent rappellent que les astéroïdes « suggèrent que la ligne des glaces se trouvait près de 2,7 UA » Lecar 2006.
Le seuil lui-même n'est pas fixe. La température de sublimation de l'eau dépend de la densité du gaz, ce que Hayashi négligeait Lecar 2006. Le chiffre de 170 K est donc une convention commode, pas une constante.
2. Où passait-elle ? De 1,6 à plus de 10 UA selon l'époque et le modèle
La distance dépend surtout de la chaleur dégagée par l'accrétion du gaz vers l'étoile, donc du débit d'accrétion du disque. Lecar et al. obtiennent 1,6 à 1,8 UA pour un disque de masse minimale, avec des opacités usuelles et un débit de 10⁻⁸ masse solaire par an. C'est plus près du Soleil que les 2,7 UA « observés » dans la ceinture d'astéroïdes Lecar 2006. Morbidelli et al. associent un disque jeune (débit de quelques 10⁻⁸ masse solaire par an) à une ligne des glaces vers 3 UA. Un disque plus vieux (quelques 10⁻⁹) la place vers 1 UA Morbidelli 2016. Morbidelli et al. (2022) font naître des planétésimaux à la ligne des glaces « à ~5 UA » dans les 0,5 premiers Ma Morbidelli 2022.
Plus tôt encore, pendant que le nuage tombe sur le disque, l'échauffement repousse la ligne vers l'extérieur. Dans le modèle de Lichtenberg et al. (2021), elle dépasse alors la dizaine d'UA, avant de revenir vers l'intérieur Lichtenberg 2021. La fourchette « 2 à 5 UA » de la question est donc raisonnable pour le premier million d'années, mais c'est une fourchette de modèles, pas une mesure.
3. Le recul vers le Soleil
Le sens du mouvement fait consensus. Quand le disque se vide et que l'accrétion faiblit, il se refroidit, et la ligne des glaces « se déplace vers l'intérieur à mesure que le disque refroidit » Drazkowska 2017. Morbidelli et al. écrivent qu'à 3 Ma après les CAI, avec un débit de 1 à 5 × 10⁻⁹ masse solaire par an, « la ligne des glaces aurait dû être bien plus près du Soleil que le bord interne de la ceinture d'astéroïdes » Morbidelli 2016.
La vitesse du recul reste discutée. Elle dépend de la manière dont le disque transporte sa matière. Dans les disques turbulents classiques, le recul prend plusieurs millions d'années. Dans des disques où l'accrétion est pilotée par le champ magnétique et la couche médiane est calme, l'échauffement est bien plus faible. Mori et al. y trouvent une ligne des glaces passée à l'intérieur de l'orbite terrestre en moins de 1 Ma après la naissance de l'étoile Mori 2021.
4. Le paradoxe de l'intérieur sec, et la ligne « fossile »
Ce recul pose une énigme. Les planètes telluriques et les astéroïdes de la ceinture interne sont pauvres en eau, alors que le disque intérieur aurait dû passer sous la température de condensation bien avant de disparaître Morbidelli 2016. Les chondrites ordinaires et à enstatite, qui se sont accrétées vers 2–3 Ma, sont pourtant sèches.
Morbidelli et al. (2016) répondent en deux temps. D'abord, le gaz ne peut pas y déposer directement de la glace. La ligne des glaces recule plus lentement que le gaz qui s'écoule vers le Soleil, et ce gaz, venu de plus loin, a déjà perdu son eau. La glace n'arrive à l'intérieur que portée par des grains glacés qui dérivent depuis l'extérieur Morbidelli 2016. Ensuite, une planète assez massive coupe ce flux. Au-delà d'environ 20 masses terrestres, elle crée juste à l'extérieur de son orbite une zone de rotation super-képlérienne qui arrête la dérive des grains. Les auteurs proposent que le précurseur de Jupiter ait atteint ce seuil « quand la ligne des glaces était encore vers 3 UA », ce qui l'a « fossilisée » à cet endroit Morbidelli 2016.
Dans ce scénario, il faut donc distinguer deux lignes. La ligne thermique continue de reculer vers le Soleil. La limite de composition, entre corps secs et corps glacés, reste figée là où Jupiter a coupé le flux.
5. La frontière NC/CC : Jupiter ou bosse de pression
La frontière isotopique est d'une autre nature. Elle ne sépare pas des corps secs et des corps glacés : elle sépare des signatures de nucléosynthèse héritées du nuage parent. Les météorites NC et CC viennent de deux réservoirs « qui étaient vraisemblablement situés à l'intérieur (NC) et à l'extérieur (CC) de l'orbite de Jupiter ». Ces réservoirs sont restés isolés pendant les premiers millions d'années Kleine 2020, entre ~1 et ~3–4 Ma d'après les fers météoritiques Kruijer 2017.
Un réservoir isolé suppose une barrière qui arrête la dérive des poussières CC vers l'intérieur. Kleine et al. en retiennent deux candidats : « Jupiter lui-même ou une bosse de pression dans le disque, là où Jupiter s'est formé plus tard » Kleine 2020.
- Jupiter. Si son noyau a fait la séparation, il a atteint ~10–20 masses terrestres en ~0,5 Ma, ~50 vers 2 Ma, et sa masse finale avant 4–5 Ma Kleine 2020 Kruijer 2017.
- Une bosse de pression. Brasser et Mojzsis (2020) objectent que l'accrétion de galets est peu efficace : beaucoup de galets CC auraient dépassé le jeune Jupiter et contaminé le réservoir NC. Ils proposent un maximum de pression près de l'endroit où Jupiter s'est ensuite formé Kleine 2020. Un ou plusieurs de ces maxima, « peut-être mobiles », auraient « presque complètement empêché » les galets de la région de Jupiter d'atteindre la zone tellurique Brasser 2020.
Kleine et al. relèvent la conséquence : dans le second cas, les contraintes météoritiques sur la croissance précoce de Jupiter deviennent « plus incertaines » Kleine 2020. La datation de Jupiter « à moins de 1 Ma » dépend donc de l'interprétation de la barrière.
6. Les deux limites l'une par rapport à l'autre
Aucune mesure ne situe en UA la frontière NC/CC, ni la ligne des glaces de l'époque. Leur rapprochement vient des modèles, qui proposent trois manières de les relier.
La bosse de pression née à la ligne des glaces. Charnoz et al. (2021) décrivent un mécanisme qui forme un maximum de pression « juste en deçà de la ligne des glaces », sans planète. La vapeur libérée par les galets glacés qui s'y subliment abaisse la vitesse du son dans le gaz, et la pression forme une bosse Charnoz 2021. Le mécanisme exige un flux soutenu de galets glacés et une zone morte dans le disque. Il est « prometteur pour isoler des réservoirs précoces de signatures isotopiques différentes » et pour former, à l'intérieur, des planétésimaux secs Charnoz 2021. La frontière serait alors à la fois thermique (par son origine) et dynamique (par son effet).
Des anneaux sur les lignes de condensation. Izidoro et al. (2022) supposent des bosses de pression à la ligne de sublimation des silicates (~1 400 K), à la ligne des glaces (~170 K) et à celle du CO (~30 K). La poussière s'y accumule en trois anneaux de planétésimaux : vers 1 UA, entre ~3–4 et ~10–20 UA, et entre ~20 et ~45 UA izidoro2022rings. L'anneau du milieu, qui commence à la ligne des glaces, contient de quoi former les noyaux des géantes izidoro2022rings.
Un décalage dans le temps. Pour Lichtenberg et al. (2021), « la formation des planètes s'est faite dans deux réservoirs séparés dans l'espace et dans le temps » Lichtenberg 2021. Le déplacement de la ligne des glaces produit deux bouffées de formation de planétésimaux, qui puisent dans des régions sources différentes. Leur mécanisme n'exige pas Jupiter, et une formation de Jupiter avant 1 Ma leur semble difficile à concilier avec les données Lichtenberg 2021. Morbidelli et al. (2022) forment les deux populations en même temps, à ~1 UA et à ~5 UA. Ils attribuent la différence isotopique à la part de matière tombée tôt sur le disque : ~60 % de la masse à la ligne des glaces, ~30 % à la ligne des silicates Morbidelli 2022.
Ce qu'on peut en conclure est un raisonnement, pas un fait. Dans tous ces scénarios, la frontière NC/CC se fixe dans le premier million d'années, à la ligne des glaces ou juste en deçà, là où Jupiter se formera. Ensuite, la ligne thermique continue de reculer vers le Soleil, tandis que la frontière de composition reste en place. Les deux limites coïncident peut-être à l'origine, puis elles divergent.
7. Le noyau de Jupiter est-il né à la ligne des glaces ?
C'est l'hypothèse de travail des modèles, et non un résultat d'observation. L'argument classique est une question de masse. Il faut les densités de solides accrues par la glace pour former les noyaux des géantes avant que le gaz ne se dissipe Lecar 2006. S'y ajoute un argument de mécanisme. Juste au-delà de la ligne des glaces, la vapeur d'eau qui diffuse vers l'extérieur se recondense et enrichit le disque en galets glacés. En deçà, les agrégats secs, qui collent mal, s'embouteillent. Cela fait de la ligne des glaces le lieu où se forment les premiers planétésimaux, « quand les noyaux des planètes géantes doivent se former » Drazkowska 2017. Les anneaux d'Izidoro et al. et les planétésimaux précoces de Morbidelli et al. (2022) vont dans le même sens izidoro2022rings Morbidelli 2022.
Deux réserves s'imposent. D'une part, l'âge de ce noyau (~0,5 à 1 Ma) n'est déduit que si Jupiter est la barrière NC/CC (section 5). D'autre part, Jupiter a pu migrer après sa formation. Kleine et al. discutent un passage de Jupiter dans la ceinture d'astéroïdes vers 2 Ma (modèle du « Grand Tack »), tout en notant qu'aucune donnée ne l'impose Kleine 2020. Son orbite actuelle ne dit donc pas où passait la ligne des glaces. Écrire « Jupiter est né à la ligne des glaces » revient à énoncer une hypothèse largement partagée, non une mesure.
Ce que le livre peut en tirer
Pour le récit. Une image juste : la ligne des glaces est une frontière qui avance. Pendant que le nuage tombe sur le disque, elle est repoussée loin du Soleil, puis elle reflue vers lui à mesure que le disque s'éteint. En quelques millions d'années, elle passe de quelques UA à l'orbite terrestre, et peut-être plus vite encore. Pourtant, la Terre ne gèle pas : un obstacle, Jupiter ou un bourrelet de gaz, a arrêté la glace en route. La ligne thermique s'en va ; la limite entre le sec et le glacé reste là où l'obstacle l'a figée.
Pour l'essai. (1) Distinguer trois limites : la ligne des glaces thermique (mobile), la limite de composition sec/glacé (peut-être « fossile »), la frontière isotopique NC/CC (nucléosynthétique, figée tôt). (2) À la question de la note « deux-lignes » (^427a), la réponse honnête est la suivante. Les modèles placent la frontière NC/CC à la ligne des glaces, ou juste en deçà, au moment de la séparation (≲ 1 Ma), là où Jupiter s'est formé. Ensuite, les deux limites divergent. C'est une convergence de modèles, pas une mesure. (3) La barrière est thermique par son origine et dynamique par son effet. Les deux ne s'opposent pas : la bosse de pression peut naître de la ligne des glaces elle-même (Charnoz 2021).
Contresens à éviter. Ne pas confondre la dichotomie NC/CC (isotopes hérités du nuage) avec la ligne des glaces (eau). Ne pas donner une distance unique (« la ligne des glaces était à 2,7 UA ») sans dire « dans le modèle classique ». Ne pas écrire que le noyau de Jupiter « s'est formé à la ligne des glaces » comme un fait. Ne pas dater Jupiter « à moins de 1 Ma » sans préciser que cela suppose que Jupiter est la barrière. Ne pas placer la ligne des glaces de l'époque à l'orbite actuelle de Jupiter : Jupiter a pu migrer.
À vérifier avant publication. Les chiffres de Lichtenberg et al. 2021 (ligne au-delà de 10 UA pendant l'effondrement) viennent d'un résumé de lecture de l'article sur ar5iv, pas d'une citation mot à mot. Pour Brasser et Mojzsis 2020, seul un extrait a été lu, et la position du maximum vient de Kleine et al. 2020. Les valeurs de Hayashi (2,7 UA, 170 K) sont rapportées par Lecar et al. 2006, l'article de 1981 n'a pas été lu.
Voisines
- de-la-nebuleuse-a-la-terre — Complète la section 7 (#vient-eau), qui ne définit la ligne des glaces que par 170 K, et la relie à la section 3 (#jupiter-deux-reservoirs) sur la frontière NC/CC. Nuance aussi l'âge de Jupiter (< 1 Ma), qui suppose que Jupiter est la barrière.
- sources-mineures-eau — Explique pourquoi le réservoir interne (NC), dont vient surtout le placage tardif, est pauvre en eau : ligne des glaces fossilisée ou barrière qui coupe le flux de grains glacés.
- des-etoiles-a-nous — La dichotomie NC/CC est une signature de nucléosynthèse héritée du nuage parent : à distinguer de la ligne des glaces, qui ne trie que l'eau.
Sources
izidoro2022— Izidoro, A., Piani, L. (2022). Origin of Water in the Terrestrial Planets: Insights from Meteorite Data and Planet Formation Models. Elements 18 (3), 181–186. arXiv:2302.02674 DOI 10.2138/gselements.18.3.181 https://arxiv.org/abs/2302.02674 — « « Water condensed as ice beyond the water snowline, the location in the Sun's natal gaseous disk where temperatures were below 170 K » (repris de la fiche de-la-nebuleuse-a-la-terre). »lecar2006— Lecar, M., Podolak, M., Sasselov, D., Chiang, E. (2006). On the Location of the Snow Line in a Protoplanetary Disk. The Astrophysical Journal. arXiv:astro-ph/0602217 https://ar5iv.labs.arxiv.org/html/astro-ph/0602217 — « « observations of the Solar System's asteroid belt suggest that the snow line occurred near 2.7 AU » ; « In a minimum-mass disk characterized by conventional opacities and a mass accretion rate of 10⁻⁸ M☉/yr, the snow line lies at 1.6–1.8 AU » ; « ice-enhanced surface densities are required to make the cores of the gas giants (Jupiter and Saturn) before the disk gas dissipates ». »morbidelli2016— Morbidelli, A., Bitsch, B., Crida, A., Gounelle, M., Guillot, T., Jacobson, S., Johansen, A., Lambrechts, M., Lega, E. (2016). Fossilized condensation lines in the Solar System protoplanetary disk. Icarus 267, 368–376. arXiv:1511.06556 DOI 10.1016/j.icarus.2015.11.027 https://arxiv.org/abs/1511.06556 — « « the snowline moves towards the Sun more slowly than the gas itself » ; « we propose that the precursor of Jupiter achieved about 20 Earth masses when the snowline was still around 3 AU. This effectively fossilized the snowline at that location » ; « At 3 My (typically Ṁ=1–5×10⁻⁹ M⊙/y) the snowline should have been much closer to the Sun than the inner edge of the asteroid belt ». »morbidelli2022— Morbidelli, A., Baillié, K., Batygin, K., Charnoz, S., Guillot, T., Rubie, D. C., Kleine, T. (2022). Contemporary formation of early Solar System planetesimals at two distinct radial locations. Nature Astronomy 6, 72–79. https://karmaka.de/?p=29832 — « « Planetesimal formation may have been triggered within the first 0.5 million years by dust pile-up at both the snowline (at ~5 au) and the silicate sublimation line (at ~1 au) » ; les planétésimaux de la ligne des glaces accrètent ~60 % de leur masse à partir de la matière tombée tôt sur le disque, contre 30 % à la ligne des silicates. »lichtenberg2021— Lichtenberg, T., Drążkowska, J., Schönbächler, M., Golabek, G. J., Hands, T. O. (2021). Bifurcation of planetary building blocks during Solar System formation. Science 371, 365–370. arXiv:2101.08571 DOI 10.1126/science.abb3349 https://ar5iv.labs.arxiv.org/html/2101.08571 — « « Geochemical and astronomical evidence demonstrate that planet formation occurred in two spatially and temporally separated reservoirs » ; le déplacement de la ligne des glaces engendre deux bouffées de formation de planétésimaux ; une formation de Jupiter avant 1 Ma « potentially contradicts astronomical and geochemical evidence ». »kleine2020— Kleine, T., Budde, G., Burkhardt, C., Kruijer, T. S., Worsham, E. A., Morbidelli, A., Nimmo, F. (2020). The Non-carbonaceous–Carbonaceous Meteorite Dichotomy. Space Science Reviews 216, 55. DOI 10.1007/s11214-020-00675-w https://www.oca.eu/images/LAGRANGE/pages_perso/morby/Kleine2020_Article_TheNon-carbonaceousCarbonaceou.pdf — « « two genetically distinct reservoirs, which presumably were located inside (NC) and outside (CC) the orbit of Jupiter » ; « a barrier (either Jupiter itself or a pressure bump in the disk where Jupiter later formed) » ; « In this case, the initial separation of the NC and CC reservoirs may not have been caused by the growth of Jupiter's core itself, which would make the meteoritic constraints on Jupiter's early growth more uncertain ». »kruijer2017— Kruijer, T. S., Burkhardt, C., Budde, G., Kleine, T. (2017). Age of Jupiter inferred from the distinct genetics and formation times of meteorites. PNAS 114, 6712–6716. DOI 10.1073/pnas.1704461114 https://www.osti.gov/pages/biblio/1399762-age-jupiter-inferred-from-distinct-genetics-formation-times-meteorites — « « meteorites derive from two genetically distinct nebular reservoirs that coexisted and remained spatially separated between ~1 My and ~3–4 My after Solar System formation » (repris de la fiche de-la-nebuleuse-a-la-terre). »brasser2020— Brasser, R., Mojzsis, S. J. (2020). The partitioning of the inner and outer Solar System by a structured protoplanetary disk. Nature Astronomy 4, 492–499. https://karmaka.de/?p=21217 — « « One or multiple such—potentially mobile—long-lived pressure maxima almost completely prevented pebbles from the Jovian region reaching the terrestrial zone » (extrait lu ; résumé complet non lu). »charnoz2021— Charnoz, S., Avice, G., Hyodo, R., Pignatale, F. C., Chaussidon, M. (2021). Forming pressure-traps at the snow-line to isolate isotopic reservoirs in the absence of a planet. Astronomy & Astrophysics. arXiv:2105.00456 DOI 10.1051/0004-6361/202038797 https://arxiv.org/abs/2105.00456 — « « we detail a mechanism by which pressure maxima form just inward the snow-line in stratified disks. This mechanism does not need the presence of a planet » ; « This mechanism is promising for isolating early reservoirs carrying different isotopic signatures in the Solar System and for promoting dry planetesimal formation inward the snow-line ». »izidoro2022rings— Izidoro, A., Dasgupta, R., Raymond, S. N., Deienno, R., Bitsch, B., Isella, A. (2022). Planetesimal rings as the cause of the Solar System's planetary architecture. Nature Astronomy 6, 357–366. arXiv:2112.15558 DOI 10.1038/s41550-021-01557-z https://arxiv.org/abs/2112.15558v1 — « « Dust piles up at the bumps and forms up to three rings of planetesimals: a narrow ring near 1 au, a wide ring between ~3-4 au and ~10-20 au, and a distant ring between ~20 au and ~45 au » ; bosses de pression supposées à la ligne des silicates (~1 400 K), à la ligne des glaces (~170 K) et à celle du CO (~30 K). »drazkowska2017— Drążkowska, J., Alibert, Y. (2017). Planetesimal formation starts at the snow line. 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