Question 16 : Moon formation and its relationship with the Earth

Hey buddies !

So, what do we talk about today ? We're talking about

The Moon : how did it form and why does it save us from glaciations ?

The Moon formation deals with something I told you about 2 articles ago : giants impacts.

Remember, it is the period in Solar System formation scenario when planetary embryos (which diameter is about few kilometres) are colliding and :

1. are destructing completely and forming smaller bodies ;
2. are fusioning and forming the four rocky planets we can see now.

One of those impacts had a singular geometry : the one between the Earth and another small body named Theia.

Theia is a planetary embryo which would be formed in L5 Lagrange point (a point of equilibrium in Earth's orbit). While it was growing, it lost its equilibrium with the Earth, and was attracted by it. This is summed up there :

The impact between pro-Earth and Theia was so particular that the iron core of Theia was absorbed by pro-Earth, and the rest, plus a part of the Earth mantle, began to orbit around pro-Earth. This disk of matter came to re-agglomerate to form the Moon.

A little animation to understand these ideas :

So then Moon was formed. Now, how can it save us from catastrophic glaciations ?

It goes that where the Moon is and how much mass it has implies a gravitational force that stabilize the rotational axis of the Earth on a lot of millenaries (something like 26 000 years). Now it has a rotational axis of 23° with the elliptic plane, but it could go between 0 and 90° without the Moon. Those irregular and chaotic variations would imply extrem glaciations that would be lethal for mankind. But the Moon is here, it protects us !

Moreover, while it is orbiting around us and showing a big surface to the rest of the Solar System, it protects us against most of asteroids and comets that could impact us. Dinosaurs disappearance, does it come to your mind ? Well, we could have been impacted by more than one if the Moon was not there to protect us.

If you are now convinced that the Moon is our shield, I made my job.

Well, good bye, and next time we will deals with :

Space exploration : where are we now ?

Question 16 : la Lune et son interaction avec la Terre

Coucou les p'tits loups !

Alors ce soir, de quoi qu'il parle tonton Max' ? Et ben il vous parle de 

La Lune : comment s'est-elle formée et pourquoi nous sauve-t-elle des glaciations ?

La formation de la Lune, ça a trait à ce dont je vous parlais il y a de cela 2 articles : les impacts géants.

Rappelez vous, il s'agit de la période du Système Solaire où les embryons planétaires de quelques kilomètres de diamètre se rentrent dedans et :

1) se disloquent complètement et forment des objets plus petits

2) fusionnent et forment les 4 planètes telluriques

Un de ces impacts, entre l'embryon de Terre et un autre objet planétésimal nommé Théia, a eu une géométrie un peu particulière. Théia, c'est un embryon planétaire qui ce serait formé au point de Lagrange L5 (un point d'équilibre de l'orbite de la Terre). Au fur et à mesure qu'il grossissait, il a perdu sa condition d'équilibre avec la Terre, et a été attiré par elle. Ceci est résumé en-dessous :

L'impact entre la pro-Terre et Théia s'est fait de telle sorte que le noyau ferreux de Théia a été absorbé par la pro-Terre, et que le reste, plus une partie du manteau terrestre, s'est retrouvé en orbite autour de la pro-Terre. Ce disque de matière autour de la pro-Terre s'est ensuite ré-aggloméré pour donner la Lune.

Une petite animation pour caler les idées :

Donc voilà, la Lune est formée. Maintenant, en quoi nous sauve-t-elle des glaciations catastrophiques ?

Et bien il se trouve que la présence de la Lune, à la distance où elle se trouve, et à la masse qu'elle a, agit gravitationnellement de manière à ce que l'axe de rotation de la Terre soit globalement stable à l'échelle de plusieurs milliers d'années. En d'autres termes : l'axe de rotation de la Terre fait un angle d'environ 23° avec l'écliptique, et cet angle varierait entre 0 et 90° sans la Lune. Ces variations irrégulières et chaotiques entraîneraient sûrement des glaciations extrêmes qui pourraient anéantir les Humains. Mais comme la Lune est là, elle nous protège de cela.

De plus, en orbitant autour de nous et en présentant une large surface au reste du Système solaire, elle nous a protégé d'une grande partie des astéroïdes et comètes qui auraient pu nous tomber dessus. La disparition des dinosaures, ça vous dit quelque chose ? Et bien, on aurait pu s'en prendre plus qu'une de ce genre si la Lune ne nous protégeait pas ainsi.

Si vous êtes à présent convaincus que la Lune est notre salvatrice, j'ai rempli mon job.

N'allez cependant pas vous raser le crâne et prendre une toge blanche pour aller vous flageller sur l'autel du culte à la Lune, sinon on va m'inculper pour incitation à participation à une secte ^^"

Bref, sur ce bonne soirée/journée/etc, et à la prochaine, durant laquelle nous parlerons de :

Où en est-on de l'exploration

spatiale ?

Question 15 : le Bombardement Massif Tardif

Coucou les jeunes !

Alors, on avait laissé notre Système Solaire avec toutes les planètes créées, et nous étions sur le point de parler du Bombardement Massif Tardif. Let's go donc !

Je rappelle donc que dans la configuration que l'on a laissé, Saturne et Jupiter sont en résonance 3:2, il reste des planétésimaux un peu partout dans le Système Solaire, et on a une grosse ceinture d'astéroïdes/comètes au-delà de Neptune. Sous l'effet gravitationnel des planétésimaux qui orbitent un peu partout dans le Système Solaire, Jupiter et Saturne se rapprochent d'une résonance 1:2 (Saturne fait 2 tours du Soleil quand Jupiter en fait 1). Lorsqu'elles l'atteignent, cela bouleverse complètement l'équilibre du Système Solaire. En effet, Saturne se retrouve sur une orbite très excentrique (une ellipse très allongée dans un sens, plutôt qu'un cercle), ce qui la pousse à la rencontre d'Uranus et Neptune. Celles-ci se retrouvent alors expulsées sur des orbites très excentriques également, ce qui a pour effet de complètement déstabiliser l'équilibre de la ceinture d'astéroïdes/comètes.
On pense que celle-ci a alors perdu 99% de sa masse, éjectée hors du Système Solaire, ou contre les objets du Système Solaire interne, comme on le voit dans cette animation.

Comment est-ce qu'on peut vérifier ça ? En regardant tous les cratères sur les planètes telluriques et leurs satellites. En effet, il apparaît que la surface de la Lune est constellée de cratères à saturation, à n'importe quelle échelle où on se place. Ces cratères sont datés d'environ 4 milliards d'années : ils pourraient résulter de ce Bombardement Massif.
Sur les autres planètes telluriques, ces cratères existent également, mais l'activité géologique des planètes les a effacés. Sur Terre notamment le volcanisme a presque tout effacé. 
D'autre part, la place et les propriétés des astéroïdes troyens sur l'orbite de Jupiter est un autre argument en faveur de la théorie du Bombardement Massif Tardif.

Voilà, c'est ça le Bombardement Massif Tardif =)

La prochaine fois : 

Pourquoi la Lune nous a-t-elle permis d'exister ?

A plus tard ;) !

Question 14 : La formation du Système Solaire

Bonsoir les amis !

Sans transition entrons vite dans le vif du sujet du jour : la formation du Système Solaire !

Tout a commencé par une explosion. On pourrait commencer un cours de Cosmo' par cette phrase, et pourtant aujourd'hui je ne vous parlerai pas de cosmo' (on a eu notre dose hier ...). Aujourd'hui je vous parle de nous, notre système solaire. Tout a commencé par une explosion ai-je dis, et laissez moi vous conter pourquoi et comment.

Il y a presque 5 milliard d'années de cela, en lieu et place de notre système solaire se trouvait un gigantesque nuage de gaz et de poussières que l'on appelle "nébuleuse". Cette nébuleuse était plusieurs fois plus grande que notre système solaire actuel. Elle devait ressembler plus ou moins à d'autres nébuleuses "pépinière d'étoiles", comme celle d'Orion :

Sauf qu'on était pas là pour la voir =P
Bref, un gros nuage de gaz et de poussières donc, mais que lui est-il arrivé pour qu'il devienne notre système solaire ? Une explosion (et oui nous y revoilà) !
En fait, il s'agit probablement de la mort explosive (on parle de SuperNova) d'une étoile massive (plusieurs fois la masse du Soleil) se situant à proximité qui a enclenché le processus de création du Soleil. Les ondes de choc créées par l'explosion auraient compressé le gaz de notre nébuleuse, jusqu'à ce qu'il atteigne ce que l'on appelle la limite de Jeans. La limite de Jeans, c'est en gros la limite de taille/masse au-delà de laquelle un nuage commence à s'effondrer sur lui-même, à cause de la gravité.
Pour visualiser le processus, imaginez vous un gigantesque drap, sur lequel vous faites figurer des grains de sable de manière homogène, de sorte à ce que le drap reste "plat". Si maintenant vous secouez le drap (onde de choc de la supernova), il y aura des zones où le sable va s'accumuler, et donc "peser" sur le drap. En pesant sur lui, il va l'enfoncer, attirant alors à lui d'autres grains de sable, etc. Là, c'est la même idée, mais avec du gaz, de la poussière et de la gravité.
Ainsi, l'onde de choc de la supernova a permis l'effondrement de la nébuleuse sur elle-même. Quelque part, probablement là où la limite de Jeans a été franchie, notre Soleil commence à se former et le gaz/la poussière se met à tourner autour de lui, en s'effondrant tout doucement sur lui.

Le Soleil, plus il devient gros, plus il chope le gaz autour de lui (on dit qu'il l'accrète). Il arrive un moment où la température et la pression au coeur du Soleil deviennent telles qu'il peut entamer des réactions de fusion nucléaire. En gros, il va prendre plusieurs atomes d'hydrogène pour les fusionner en atomes d'hélium, et en tirer toute l'énergie qui lui permet de briller. Notre Soleil s'allume alors.

A ce stade, on a un Soleil allumé et un disque de gaz et de poussières qui lui tourne autour (les gaz et poussières les plus lourdes se trouvent plus près du Soleil, les gaz légers plus loin). Les radiations lumineuses émises par le Soleil réchauffe le disque, mais la température est logiquement plus faible plus on s'éloigne de lui. Il y a une limite de distance au Soleil à partir de laquelle la glace d'eau peut se former : la limite des glaces (ils se sont pas foulés pour le nom ...). On pense que de petits grains de glace ont pu se former au-delà de cette limite des glaces, et accréter de la poussière et de la glace autour d'eux. Ce serait ainsi que s'est formé le coeur de Jupiter. Une fois qu'il a été assez massif, ce coeur s'est mis à accréter le gaz également (de l'hydrogène et de l'hélium donc principalement, puisque ce sont les plus légers et qu'on est loin du Soleil), et Jupiter a grossi en pompant le gaz du disque. Le problème, c'est qu'en même temps bébé-Jupiter tourne autour du Soleil, et il reste du gaz entre lui et le Soleil. Du coup, il migre vers le Soleil, en bouffant tout le gaz sur son passage.
Problème : mais pourtant nous, on est là ? Alors pourquoi Jupiter nous a pas bouffé ? Parce que Saturne était là pour nous sauver !

En effet, pendant que Jupiter était déjà bien avancée sur sa création, Saturne commençait à poindre le bout de son nez (même formation : un coeur de glace sur lequel accrète le gaz). Saturne a alors essayé de migrer à son tour pour rejoindre Jupiter, jusqu'à ce que les deux planètes rentrent en "résonance 3-2". Qu'est-ce que ça veut dire ? Tout simplement que Jupiter faisait trois tours autour du Soleil quand Saturne en faisait deux. Cette propriété a fait stopper Jupiter dans sa migration, ainsi que Saturne. Et où ? A peu près après l'orbite de Mars. Ouf.

Mais pendant ce temps, ça reste pas inactif dans le système solaire interne (entendez par là entre le Soleil et Jupiter). En effet, rappelez vous que près du Soleil on a les poussières les plus lourdes : les roches. En s'entrechoquant entre elles depuis la formation du disque, elles ont fini par atteindre une taille de quelques kilomètres, ce sont les planétésimaux, ou embryons planétaires. On estime à une dizaine le nombre d'embryons planétaires ainsi formés dans notre système. Ces planétésimaux vont eux aussi se rentrer dedans, et selon la géométrie de l'impact (de biais, de face ou par le flanc) ils vont se détruire mutuellement, s'agglomérer, ou ne rien faire. Il existe entre autres deux objets dont l'impact est intéressant : la Terre et un autre embryon, qui donneront naissance à la Lune.
En effet, la géométrie de cet impact a été tel que la Terre est restée presque telle quelle, mais qu'une partie de son manteau s'est retirée dans l'espace autour d'elle, avec les débris de l'autre embryon, qui lui s'est complètement détruit. Tout ça s'est mis à tourner autour de la Terre, pour former plus tard la Lune.
Bref, à coup d'impacts géants comme ça, on passe d'une dizaine de planétésimaux à quatre planètes telluriques : Mercure, Vénus, la Terre et Mars. Ca, c'est fait. Mais ... Et Jupiter et Saturne dans tout ça ? Et Uranus et Neptune ?

Revenons à Jupiter et Saturne. Elles sont tranquilles, peinards dans leur résonance 3-2, et celle-là les fait doucement reculer vers l'extérieur, jusque là où elles sont à présent (environ). Mais pendant ce temps au fond se forment Uranus et Neptune, autour d'immenses coeurs de glace. Lorsqu'elles se trouvent être assez massives, elles sortent Saturne de sa résonance avec Jupiter, et cela a eu un retentissement tellement puissant que ça a précipité toute la matière du disque externe (des gros grains de glace : les comètes, et de roche : les astéroïdes) vers l'intérieur. C'est ce que l'on appelle le Bombardement Massif Tardif. Et c'est ainsi que l'eau (qui se trouvait dans le système externe principalement) est revenue dans le système interne, et sur la Terre et ses 3 amies principalement.

Petite simulation de ce qu'il se passe quand

on sort Saturne de sa résonance avec Jupiter 

(en vert ce sont les astéroïdes/comètes)

Et voilà en gros comment notre système solaire s'est formé.

Merci si vous m'avez lu jusqu'ici, je sais que mes deux derniers articles sont particulièrement longs, mais ils en valent la peine (et encore je me retiens ...) =)
Demain (ou la prochaine fois) : 

Qu'est-ce que le Bombardement Massif Tardif a de particulier

dans l'histoire du Système Solaire ?

Bah oui, si je finis là-dessus c'est pas pour rien, ça présage d'une suite =P

A demain donc pour cette fameuse suite : Formation du Système Solaire, épisode 2 !

Question 13 : La matière noire

Bonjour bonjour !

Alors ça y est, vous m'attendiez, me revoilà ! Désolé de ma longue absence, mais entre oraux, fêtes, examens et stage ...
Bref, je vous avais laissé sur un sujet à suspense : La matière noire !
Qu'est-ce que ça t'est-ce ?

Asseyez-vous bien au chaud, et laissez-vous conter l'histoire de la masse cachée.
Partons d'un petit calcul simple : le temps de chute libre (temps caractéristique que met un objet soumis à la gravitation pour s'effondrer sur lui-même). On sait que t = racine(R^3 /GM), où R est le rayon de l'objet et M sa masse (G la constante de gravité).
Petite relation simple pour une sphère : M = 4/3 Pi R^3 * ro (où ro est la masse volumique). Donc t = 0,002 / racine(ro) en années.
Bref, j'vous saoule avec mes équations, mais je voudrais en venir à un constat simple : si vous prenez l'Univers observable en entier (ro = 10^(-27) kg/m^3, ie 0,000..(26 zéros)..1 kg/m^3), alors vous tombez sur un temps de chute libre de 10^11 ans (ie 100 milliards d'années). Où est le constat ? Bah c'est simple : l'âge de l'Univers prédit par le modèle actuel, c'est environ 14 milliards d'années. Toujours pas ? Bah ça veut dire que si l'Univers suit cette loi, on devrait voir des galaxies d'ici 86 milliards d'années, environ.
Quoi ? Vous pensiez qu'on voit déjà des galaxies ? Ah mais oui vous avez raison ! Vous comprenez rien à ce que je dis ? Et bien voilà : ce que je tente de vous dire, c'est qu'avec les lois de la physique qu'on connaît, on NE PEUT PAS expliquer l'existence des galaxies 14 milliards d'années après le Big Bang avec seulement la matière visible.
Et oui ! D'où vient le problème ? Si on part du principe que nos lois de la physique sont justes, c'est que le ro = 10^(-27) kg/m^3 dans nos observations est faux. Il faut qu'il soit beaucoup plus grand pour que le temps de chute libre soit plus faible, et qu'on observe les galaxies aujourd'hui et pas dans 86 milliards d'années. Cette masse qui manque et que nous ne pouvons pas voir (sinon on aurait déjà compté sa masse dans le ro), c'est ce que l'on appelle la Matière Noire.

Historiquement, le premier indice que nous avons eu de l'existence de la matière noire, ce sont les mesures de Fritz Zwicky en 1933. Ce cher monsieur suisse a voulu comparer deux manières de calculer la masse d'un amas de galaxies (une grosse collection de galaxies dans une petite région du ciel) : la masse "dynamique" (calculée à partir des équations de Newton) et la masse "lumineuse" (celle qu'il faut pour qu'elles produisent la lumière qui nous parvient ici sur Terre). Donc la masse "que l'on voit", et la masse "qui est soumise à la gravitation". Et qu'observe-t-il ? Que la masse "que l'on voit" est 400 fois plus petite que "celle qui est soumise à la gravitation". Pourtant, les deux devraient être les mêmes !
Cependant, Zwicky était un être à fort caractère, les autres scientifiques ont ignoré ses mesures.

Quelques années plus tard (années 70), une doctorante en astrophysique du nom de Vera Rubin étudiait les courbes de rotation des galaxies, quand elle fit une découverte surprenante.
Déjà, qu'est-ce qu'une courbe de rotation de galaxie et qu'attendons-nous à voir sur ces courbes ?
Une galaxie, ce sont du gaz, des poussières et des étoiles qui tournent autour d'un point central, en gros. La courbe de rotation d'une galaxie, c'est le graphique de la vitesse de rotation d'une région de la galaxie en fonction de sa distance au centre de la galaxie.
Maintenant, imaginez un couple de patineurs sur une patinoire. Vous vous dites "mais qu'est-ce qu'il raconte d'un coup avec ses patineurs ?!" ? Et bien attendez voir. Regardez un des deux patineurs lorsqu'il tourne sur lui-même : il va plus vite lorsqu'il ramène ses bras le long du corps que lorsqu'ils sont éloignés, pas vrai ? Vous ne voyez toujours pas ? Et bien regardez :

Convaincus ? Bien. Alors maintenant, dites vous que c'est pareil pour tout objet en rotation : plus l'objet est étendu, plus les régions externes tourneront moins vite que les régions internes (c'est ce qu'on appelle la rotation différentielle). Par exemple : Mercure a une plus grande vitesse de rotation autour du Soleil que Jupiter, parce que Jupiter est beaucoup plus éloignée du Soleil que Mercure.
Bref, donc extrapolez ça aux galaxies, et vous verrez qu'on s'attend du coup à ce que la vitesse d'une région de la galaxie soit de plus en plus faible au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre. Tout le monde voit ça ? Alors donc, qu'a observé Vera Rubin ? Que ... ce n'était pas du tout le cas. En fait elle a observé ça :

La courbe A, c'est la rotation différentielle.

La courbe B, c'est ce qu'a trouvé Vera Rubin.

Et ça, ça peut s'expliquer par la présence de matière noire. En effet, si vous imaginez qu'il y a beaucoup de matière que vous ne voyez pas dans la galaxie, et qui s'étend bien au-delà de la galaxie "visible" (grâce à la lumière), on peut expliquer avec des équations le palier de la courbe B.

Au final, ce qu'il faut retenir de tout ça, c'est que pour justifier la plupart de nos observations actuelles sur l'Univers, on a besoin de faire appel à de la matière "invisible" avec une masse totale sur tout l'Univers qui serait 5 à 6 fois supérieure à la masse totale de matière "visible" (par visible et invisible, on entend "qui peut être détecté par la lumière", et pas du tout "que l'on peut voir à l'oeil"). Cette masse cachée, c'est la matière noire.

J'espère que vous avez compris ce que j'ai essayé de vous expliquer, et si ce n'est pas assez clair n'hésitez pas à me le faire savoir.

Demain, je tâcherai de traiter de la question : 

Comment s'est formé le système solaire ?

A demain !!!