Demandez à Ethan: Comment savons-nous l'âge du système solaire?

L'idée de l'artiste d'une jeune étoile entourée d'un disque protoplanétaire. Les disques protoplanétaires appartenant aux étoiles semblables au soleil ont de nombreuses propriétés inconnues, y compris la ségrégation élémentaire de divers types d'atomes

Il y a des milliards d'années, dans un coin oublié de la Voie lactée, un nuage moléculaire, pas différent de beaucoup d'autres, s'est contracté et a formé de nouvelles étoiles. L'un d'eux est apparu dans un isolement relatif, collectant des matériaux du disque protoplanétaire qui l'entoure, qui, en conséquence, se sont transformés en notre Soleil, huit planètes et le reste du système solaire. Aujourd'hui, les scientifiques disent que le système solaire a 4,6 milliards d'années, plus ou moins plusieurs millions. Mais comment savons-nous cela? L'âge de, disons, la Terre et le Soleil est-il égal? C'est exactement ce que notre lecteur veut savoir:

Comment connaît-on l'âge du système solaire? J'imagine très vaguement le processus de mesure de l'âge d'une pierre car elle était liquide, mais il y a environ 4,5 milliards d'années, Teia est entrée en collision avec la proto-terre, rendant presque tout liquide. Comment savons-nous que nous déterminons l'âge du système solaire, et pas seulement trouver des dizaines de nouvelles façons de déterminer la date d'une collision avec Theia?

Une grande question, pleine de nuances - mais la science fera face à une telle tâche. Voici l'histoire de comment c'était.


Des lacunes, des morceaux de matière, des formes en spirale et d'autres asymétries montrent des signes de formation planétaire continue dans le disque protoplanétaire autour d' Elias 2-27 . Cependant, quel âge seront dans les différentes composantes du système qui se formeront en conséquence, dans le cas général, on ne peut pas le dire.

Nous en savons beaucoup sur l'âge et l'origine de notre système solaire. Nous avons beaucoup appris en observant la formation d'autres étoiles, en étudiant des régions éloignées de nucléation des étoiles, en mesurant les disques protoplanétaires, en observant comment les étoiles passent par différentes étapes du cycle de vie, etc. Mais chaque système se développe à sa manière, et ici, dans notre système solaire, des milliards d'années après l'apparition du Soleil et des planètes, il ne reste que des objets survivants.

Initialement, toutes les étoiles sont formées à partir d'une nébuleuse pré-nébuleuse, qui recueille la matière ensemble, la couche externe en vrac restant froide, où les silicates amorphes, les composants carbonés et la glace sont collectés. Dès qu'une protostar apparaît dans la nébuleuse pré-nébuleuse, puis une véritable étoile, ce matériau externe commence à attirer et à former de plus gros amas.


Au fil du temps, les grumeaux se développent, se rapprochent du centre, interagissent, fusionnent, se déplacent et peuvent même se jeter hors du système. Sur une période allant de centaines de milliers à des millions d'années après l'apparition d'une étoile, des planètes apparaissent également - à l'échelle cosmique, c'est assez rapide. Et bien qu'il y ait probablement beaucoup d'objets intermédiaires dans le système solaire, après plusieurs millions d'années, le système solaire a commencé à ressembler beaucoup à ce que nous avons aujourd'hui.

Mais il pourrait y avoir des différences très importantes. Il aurait pu y avoir un cinquième géant du gaz; les quatre géants qui sont restés avec nous pourraient être beaucoup plus proches du Soleil, puis se déplacer plus loin; et, plus important encore, entre Vénus et Mars, il n'y avait probablement pas un, mais deux mondes: la Proto-Terre et un monde plus petit de la taille de Mars, Teia. Beaucoup plus tard, peut-être des dizaines de millions d'années après la formation d'autres planètes, la Terre et Teia sont entrées en collision.


Le modèle de formation de choc postule qu'un corps de la taille de Mars est entré en collision avec la Terre primitive, et des fragments qui ne sont pas retombés ont formé la lune. La Terre et la Lune doivent donc être plus jeunes que le reste du système solaire.

C'est dans cette collision, comme nous le soupçonnons, que la Lune est apparue: nous appelons ce phénomène l'hypothèse d'une collision géante. La similitude des pierres lunaires apportées par la mission Apollo avec la composition de la terre nous a fait soupçonner que la lune était formée de la Terre. D'autres planètes rocheuses qui manquent étrangement de gros satellites n'ont probablement pas survécu à de tels affrontements majeurs dans leur histoire.

Les géantes gazeuses, possédant une masse beaucoup plus grande que les autres, ont pu retenir l'hydrogène et l'hélium (les éléments les plus légers) qui existaient lorsque le système solaire a seulement commencé à se former; des autres mondes, la plupart de ces éléments ont été emportés. En raison de l'énergie trop importante du soleil et pas assez forte pour maintenir la gravité, le système solaire a commencé à prendre la forme que nous connaissons aujourd'hui.


Illustration du jeune système stellaire du Peintre Bêta , quelque chose de similaire à notre système solaire, lors de sa formation. Les mondes intérieurs ne pourront retenir l'hydrogène et l'hélium que s'ils sont suffisamment massifs.

Mais maintenant, des milliards d'années se sont écoulées. Comment connaît-on l'âge du système solaire? L'âge de la Terre coïncide-t-il avec celui des autres planètes? peut-on détecter cette différence?

Étonnamment, la géophysique donne la réponse la plus précise. Et cela ne signifie pas nécessairement «physique de la Terre», il peut s'agir de la physique de toutes sortes de pierres, de minéraux et de solides. Tous ces objets contiennent de nombreux éléments du tableau périodique, et diverses densités et compositions correspondent à l'endroit où dans le système solaire, au sens de la distance du soleil, ils se sont formés.


Densités des différents corps du système solaire. Remarquez la relation entre la densité et la distance du soleil

Cela suggère que diverses planètes, astéroïdes, lunes, objets de la ceinture de Kuiper, etc. devrait se composer de divers matériaux. Les éléments lourds du tableau périodique, par exemple, devraient principalement être présents sur Mercure, et non, par exemple, Cérès, qui, à son tour, devrait être plus riche que Pluton. Mais il semble que le pourcentage d'isotopes différents des mêmes éléments devrait être universel.

Lors de la formation du système solaire, une certaine proportion, disons, de carbone 12 à carbone 13 et carbone 14 devrait y être préservée. Le carbone 14, selon les normes cosmiques, a une courte demi-vie (plusieurs milliers d'années), donc tout le carbone 14 préhistorique a déjà disparu. Mais le carbone 12 et le carbone 13 sont stables, ce qui signifie que lorsque le carbone est détecté dans tout le système solaire, il doit avoir la même teneur relative en isotopes. Cela s'applique à tous les éléments stables et instables et aux isotopes du système solaire.


Le nombre d'éléments dans l'univers d'aujourd'hui, mesuré par notre système solaire

Puisque le système solaire a déjà des milliards d'années, nous pouvons rechercher des isotopes avec des demi-vies de milliards d'années. Au fil du temps, ces isotopes se désintégreront, et en étudiant les proportions des produits de désintégration par rapport au matériau restant d'origine, nous pouvons déterminer combien de temps s'est écoulé depuis la formation de ces objets. À cet effet, l'uranium et le thorium seront les éléments les plus fiables. L'uranium a deux principaux isotopes trouvés dans la nature, l'U-238 et l'U-235, et ils diffèrent cependant en produits et en taux de décomposition en quelques milliards d'années. Dans le thorium, le Th-232 est l'isotope le plus utile.

Mais le plus intéressant - la meilleure preuve de l'âge de la Terre et du système solaire ne se trouve pas du tout sur Terre!


Dessin d'artiste représentant une collision qui, il y a 466 millions d'années, a fait chuter de nombreuses météorites aujourd'hui

Beaucoup de météorites sont tombées sur la Terre et nous avons mesuré et analysé leur composition par éléments et isotopes. Nous observons principalement le plomb : le rapport du Pb-207 au Pb-206 évolue dans le temps en raison de la désintégration de l'U-235 (qui conduit à l'apparition du Pb-207) et de l'U-238 (d'où vient le Pb-206). En ce qui concerne la Terre et les météorites en tant que partie d'un système en évolution - c'est-à-dire que les rapports du nombre d'isotopes en eux doivent être les mêmes - nous pouvons regarder le plus ancien des minerais de plomb trouvés sur Terre pour calculer l'âge de la Terre, des météorites et du système solaire.

C'est une assez bonne estimation, qui nous donne un chiffre de l'ordre de 4,54 milliards d'années. L'erreur d'estimation ne dépasse pas 1%, mais elle reste une incertitude de dizaines de millions d'années.


1997 Pluie de météores Leonids , vue depuis l'espace. Lorsque les météores entrent en collision avec la partie supérieure de l'atmosphère terrestre, ils brûlent et donnent lieu à des lignes lumineuses et des éclairs de lumière que nous associons aux averses de météores. Parfois, une pierre qui tombe est assez grande pour atteindre la surface et devient une météorite.

Mais nous pouvons faire mieux que de tout rassembler! Bien sûr, cela donne une bonne évaluation globale, mais nous pensons que la Terre et la Lune sont plus jeunes que les météorites.

• Nous pouvons étudier les météorites les plus anciennes , ou celles qui présentent le plus grand rapport d'isotopes de plomb, pour essayer d'estimer l'âge du système solaire. Nous obtenons un chiffre de 4,568 milliards d'années.
• Nous pouvons étudier les pierres de lune qui ne sont pas soumises aux changements géologiques qui ont eu lieu sur Terre. Leur âge est de 4,51 milliards d'années .

Et enfin, nous pouvons nous tester. Tout cela était basé sur l'hypothèse que le rapport U-238 sur U-235 est le même dans tout le système solaire. Mais de nouvelles preuves des 10 dernières années ont montré que ce n'est probablement pas le cas.



Il y a des endroits où l'U-235 est enrichi de 6% de plus que la valeur typique. Selon Gregory Brenneke:

Depuis les années 1950, ou même plus tôt, personne n'a pu détecter de différences dans les proportions d'uranium. Maintenant, nous avons pu trouver de petites différences. Et c'était un problème pour plusieurs personnes dans le domaine de la géochronologie. Pour dire avec certitude que nous connaissons l'âge du système solaire en fonction de l'âge des pierres, elles doivent nécessairement coïncider les unes avec les autres.

Mais il y a deux ans, une solution au problème a été découverte: un autre élément joue un rôle. Le curium , un élément plus lourd et avec une demi-vie plus courte que le plutonium même, se transforme en U-235 pendant la désintégration, ce qui explique ces différences. En conséquence, l'erreur [détermination de l'âge] n'est que de quelques millions d'années.


Les disques protoplanétaires, à partir desquels on pense que les systèmes stellaires se forment, finiront par s'assembler en planètes, comme sur la figure. Il est important de comprendre que l'étoile centrale, les planètes individuelles et le matériel original restant (qui, par exemple, peuvent se transformer en astéroïdes) peuvent différer en âge de plusieurs dizaines de millions d'années.

Donc, en général, nous pouvons dire que le plus ancien des matériaux solides que nous connaissons dans le système solaire remonte à 4,568 milliards d'années, avec une erreur de 1 million d'années. La Terre et la Lune sont environ 60 millions d'années plus jeunes, elles ont pris leur forme définitive plus tard. De plus, nous ne pouvons pas le découvrir en étudiant uniquement la Terre.

Mais, étonnamment, le Soleil peut être un peu plus ancien, car son apparence devrait précéder l'apparition d'objets solides qui composent les autres composants du système solaire. Le soleil peut avoir des dizaines de millions d'années de plus que les pierres les plus anciennes du système solaire, se rapprochant peut-être des 4,6 milliards. L'essentiel est de chercher toutes les réponses en dehors de la Terre. Ironiquement, c'est la seule façon de connaître l'âge exact de notre propre planète!