Et pourtant elle tourne… OK, mais pourquoi elle tourne?

Vous demandez vous parfois, lors d’une nuit d’insomnie, pourquoi justement il fait nuit ? Probablement pas. En effet, nous apprenons  l’enfance que la Terre tourne sur elle-même, et que grâce à cela nous avons un jour et une nuit, qui rythmerons toute notre vie. Par contre, peut-être n’avez-vous pas creusé la question en demandant à votre instituteur : mais pourquoi ?

Commençons par clarifier les choses : nous allons parler de rotation et de révolution. La Terre par définition est en rotation sur son axe, mais effectue une révolution autour du soleil par an. Sur le schéma ci-dessous, on voit la rotation en violet et la révolution en rouge :

North_season

Vue d’artiste, le dessin n’est pas à l’échelle

Nous allons donc expliquer deux phénomènes : la rotation et la révolution. Il se trouve, et ce n’est pas un hasard, que la plupart des planètes tournent dans le même sens autour du soleil. De plus, en général, le sens de rotation est le même que le sens de révolution, ce qui n’est pas une coïncidence. Nous allons donc retracer le récit du système solaire pour pouvoir comprendre son état actuel.

La naissance du système solaire

Pour commencer notre histoire, revenons aux débuts de notre système solaire. A cette époque, il n’est encore qu’une nébuleuse : c’est un gigantesque amas de gaz et de poussière en rotation. La gravité fait que ce nuage va se contracter sur lui-même. Au centre, la matière est donc compressée à l’extrême, elle devient très chaude et restera gazeuse. C’est la future étoile.

Pour la matière solide hors du centre, un peu comme lorsqu’on fait tourner une pâte à pizza, la nébuleuse va s’aplatir pour former un disque protoplanétaire. Il est nommé ainsi parce que c’est au sein de ce disque que vont se former les futures planètes. C’est la rotation de ce nuage autour d’un axe privilégié qui conduit à ce résultat2. S’il n’y avait pas cette rotation, le résultat serait une sphère très concentrée de matière. On observe même une augmentation de la vitesse de rotation de la matière au fur et à mesure que le nuage se contracte, de la même manière qu’une patineuse tournera plus vite en ramenant ses bras vers son corps.

Protoplanetary-disk

Disque Protoplanétaire (vue d’artiste)

Pourquoi la nébuleuse tourne-t-elle au départ ? En réalité l’inverse serait étonnant. Les amas de particules au sein de la nébuleuse ne sont pas immobiles, et ont des mouvements aléatoires. Vu le nombre de particules, et leur différences de mouvement – direction, sens, vitesse – ce serait une coïncidence que de la somme de toutes ces quantités de mouvement soit nulle et qu’il n’en résulte pas une rotation. Cela semble improbable vu ce qui est observé dans l’univers.

Deux modèles qui s’opposent

A partir de là nous avons un beau disque protoplanétaire. C’est maintenant que nous allons présenter George Wetherill. C’est un scientifique qui s’est intéressé à divers sujets, et notamment à la formation des planètes. Dans les années 1970, les scientifiques commencent à avoir accès aux outils de simulation numérique. C’est grâce à cela que Wetherill put développer son modèle dit boule de neige3.

GW

George Wetherill

Guerre froide oblige, deux écoles s’affrontent à l’époque. Le Soviétique Viktor Sergueïevitch Safronov développe une théorie dite d’accrétion ordonnée. Pour lui, toutes les futures planètes grandissent à la même vitesse, de manière ordonnée, comme des plantes qu’on arroserait au goutte à goutte.

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Irrigation Goutte à Goutte

A l’inverse, pour Wetherill, il y a un effet boule de neige. C’est le corps le plus gros qui grandit le plus vite ! Cela semble logique : le corps le plus massif, avec la gravité, aura plus tendance à attirer les petits que les petits eux-mêmes. Au plus la future planète grossit, au plus elle attire les autres corps.

La datation des roches donnera raison à Wetherill. En effet, dans la théorie de Safronov, un embryon de planète se forme en 100 millions d’années. Or, on estime que dans ce laps de temps, la Terre était déjà complètement formée. L’effet boule de neige accélère effectivement la formation de la planète.

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Système Solaire en Formation

Dans ce modèle, le résultat est bien un système solaire où les planètes tournent toutes dans le même sens autour de l’étoile : en effet, c’est le sens de rotation initial de la nébuleuse qui est conservé pendant toute la vie du système. La matière s’agrège pour former des planètes de plus en plus grosses, mais rien ne change le sens de révolution de celles-ci.

Le sens de rotation

Le sens de rotation est dû à ce sens de révolution commun autour de l’étoile. Imaginez-vous dans ce système. Assez dangereux, désordonné, mais des embryons de planètes commencent à apparaître : ce sont les planétésimaux. Donc, ce n’est pas non plus le chaos total.

Les protoplanètes, qui sont des planètes en devenir, plus massives que les planétésimaux, sont percutées de toutes parts par des astéroïdes qui ont chacun leur propre orbite. Deux cas possibles : soit cette orbite coupe celle de la protoplanète, soit elle y est tangente.

sch1Les astéroïdes qui ont une orbite sécante peuvent induire un sens de rotation lors d’une collision latérale. Mais alors, vu que ces chocs ont lieu de n’importe quel côté de la future planète, de façon équiprobable, ceci n’explique pas pourquoi en majorité des planètes tournent dans le même sens. S’il n’y avait que ce type de collisions, le hasard déciderait du sens de la rotation.

Ce n’est pas ce que l’on voit, et c’est dû aux astéroïdes sur des orbites tangentes. Ces orbites tangentes peuvent être internes ou externes à l’orbite de la protoplanète. À l’intérieur, un astéroïde va moins vite que la protoplanète, alors qu’à l’extérieur, il va plus vite4. Cette propriété est démontrée par les lois de la mécanique dans les sources, nous ne détaillons pas la démonstration ici.

sch2

Schéma des 3 orbites

sch3sch3b

Zoom au point de tangence

Pour résumer, on observe donc des astéroïdes qui viennent frapper sur la tangente extérieure qui vont plus vite que la protoplanète, et à l’inverse des astéroïdes qui vont moins vite qu’elle sur la tangente intérieure. Promis, j’arrête d’utiliser le terme astéroïdes bientôt. Si l’on se place dans le référentiel de la planète, voici schématiquement ce qui se passe :

sch4

Cela induit un sens de rotation qui est bien le même que le sens de révolution.

J’étais sur le point de mettre mon point final lorsque que j’ai appris que deux planètes rebelles résistaient à cette règle qui pourtant ne semblait pas souffrir d’exceptions5. J’ai hésité un moment à les balayer, les faire passer sous le tapis. De toute façon ce sont bien des amas de poussière, et mon salon ressemble à un disque protoplanétaire désordonné, gardons cela pour une autre fois.

Sources:

  1. « La mise en évidence du mouvement de la Terre… en plusieurs étapes » sur https://www.icem-pedagogie-freinet.org/node/31230
  2. « Formation du système solaire, origine et vitesse de rotation des planètes » sur http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/rotation.xml
  3. « La formation des planètes terrestres » sur http://www.aim.ufr-physique.univ-paris7.fr/CHARNOZ/homepage/SYSTEME_SOLAIRE/Chap1.htm#Chap1_c
  4.  Démonstration de la relation entre les vitesses pour différentes orbites sur  http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/objets/Images/rotation/calcul-f-chambat.gif
  5. « Mouvement prograde ou rétrograde » sur https://fr.wikipedia.org/wiki/Mouvement_prograde_ou_r%C3%A9trograde

Images :

Image bannière : ©NASA. https://www.flickr.com/photos/gsfc/4392965590/

lien

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Protoplanetary-disk.jpg

https://www.flickr.com/photos/socodevi/7035460561

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8424516

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