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Au cours des deux dernières années, la sonde Juno de la NASA a mesuré le champ gravitationnel de Jupiter avec une précision exquise,. Les résultats ont révélé que l’enveloppe fluide hydrogène-hélium de la planète n’avait pas une composition uniforme: la partie interne contient plus d’éléments lourds que la partie externe.,. , Liu et al. Nous proposons que cette asymétrie résulte d'une collision frontale entre le jeune Jupiter et un embryon planétaire d'une masse environ dix fois supérieure à celle de la Terre. Les auteurs suggèrent que les noyaux primordiaux de la planète et de l’embryon se seraient fusionnés puis partiellement mélangés à l’enveloppe de Jupiter, expliquant la structure de la planète telle que nous la connaissons aujourd’hui.
Les cicatrices des impacts abondent sur les corps planétaires rocheux. Par exemple, la Lune est recouverte de cratères et a été formée par une collision survenue il y a 4,5 milliards d'années entre la Terre et un corps massif.. Bien que les impacts ne laissent aucune empreinte directe sur les surfaces des planètes fluides, les inclinaisons des axes de rotation de Saturne (27 °), Uranus (98 °) et Neptune (30 °) peuvent indiquer que de violentes collisions se sont produites dans le passé.. Après tout, il est connu que des embryons planétaires massifs de l'ordre de dix masses terrestres devaient être présents dans le système solaire primitif, en plus des planètes qui sont toujours là. Jupiter, avec sa petite inclinaison (3 °), semble avoir échappé indemne. Mais selon Liu et ses collègues, ce n'était pas le cas.
Jupiter est principalement composé d'hydrogène et d'hélium. Cependant, les observations de sa composition atmosphérique et le champ gravitationnel montrent qu’il contient une proportion non négligeable d’éléments plus lourds sous la forme d’un noyau central et dans l’enveloppe hydrogène-hélium. Cette enveloppe est fluide et devrait être largement convectiveIl était donc surprenant que Juno ait révélé que la composition de l’enveloppe n’était pas uniforme. Au lieu de cela, le noyau semble être partiellement dilué dans l’enveloppe, s’étendant sur presque la moitié du rayon de la planète., (Fig. 1).
La production directe de cette structure interne nécessiterait la livraison (accrétion) de 10 à 20 masses terrestres, des éléments lourds au jeune Jupiter après la formation du noyau et pendant la première moitié de la croissance de l’enveloppe. L'accrétion de ce matériau aurait dû s'arrêter après que la planète ait atteint environ la moitié de sa masse actuelle.
Les modèles de formation indiquent que cette hypothèse est peu probable. Dans ces modèles, lorsque Jupiter atteint environ 30 masses terrestres, la croissance de l'enveloppe par accrétion est rapide, et la planète élimine efficacement toute particule de poussière de taille millimétrique ou supérieure. En conséquence, l'enveloppe devrait être pauvre en éléments lourds. Toute livraison ultérieure d'éléments lourds par des planétésimaux (précurseurs de la taille d'un astéroïde) ou de petites planètes est inefficace et ne peut pas expliquer l'abondance d'éléments lourds qui augmenterait avec la profondeur, comme observé. L'érosion du noyau dans l'enveloppe est possible,, mais les simulations montrent que ce processus a tendance à supprimer les gradients de composition mineurs présents dans l’enveloppe, au lieu de les augmenter..
La solution proposée par Liu et al. est simple. Dans leur modèle, un embryon planétaire qui possède un noyau dense d’éléments lourds entre en collision avec le Jupiter en formation. Les noyaux des deux corps se fusionnent et se mélangent partiellement à l’enveloppe de Jupiter. Cette explication nécessite un embryon massif (d'une dizaine de masses terrestres) et un impact quelque peu frontal, mais ces deux exigences semblent raisonnablement probables. Les auteurs montrent que le refroidissement et le mélange subséquent par convection de la partie extérieure de l’enveloppe ne mélangent que certains des éléments les plus lourds, laissant le noyau dilué de la planète relativement peu affecté (Fig. 1). Cette photo pourrait donc expliquer d'un seul coup le noyau dilué détecté par Juno, et l’abondance globale d’éléments lourds dans l’atmosphère de Jupiter.
Le modèle de Liu et ses collègues devrait maintenant être affiné. En particulier, il doit être associé à des scénarios réalistes pour la formation du système solaire.. De plus, le mélange des éléments lourds dans le modèle doit prendre en compte la chaleur et la diffusion des éléments, un processus connu sous le nom de convection par diffusion.. Les résultats doivent également être comparés quantitativement avec les contraintes sur le champ gravitationnel de Jupiter à partir de Juno., et sur la composition atmosphérique de la planète obtenue par spectroscopie.
Le modèle des auteurs indique que des impacts géants pourraient fréquemment se produire lors de la formation de la planète. Cette possibilité pourrait expliquer les inclinaisons des planètes dans le système solaire. Cela pourrait également expliquer comment certaines exoplanètes géantes, connues sous le nom de Jupiters chauds, ont accumulé plus de 100 masses lourdes d'éléments terrestres., – une caractéristique extrêmement difficile à obtenir à partir de modèles de formation conventionnels. Les Hot Jupiters sont situés à proximité de leurs hôtes, dans des régions où l’attraction gravitationnelle de l’étoile est extrêmement forte. En conséquence, ces exoplanètes pourraient être en mesure de collecter efficacement les embryons planétaires grâce à une série d'impacts géants plutôt que de les éjecter, augmentant ainsi leur contenu en éléments lourds.
Bien que les planètes géantes aient une surface fluide qui ne puisse pas enregistrer des traces d’impacts, ces planètes contiennent des indices d’un passé violent qui a conduit aux systèmes planétaires observés aujourd’hui. Le modèle proposé par Liu et al. permet de relier les observations actuelles aux débuts de la formation du système solaire. Les progrès proviendront d’une extension d’études comme celle-ci aux planètes géantes autour du Soleil et à d’autres étoiles. Une exploration continue du système solaire est cruciale, en particulier d'Uranus et de Neptune, qui pourraient être considérés comme les restes d'une grande population d'embryons planétaires massifs du système solaire ancien.
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