Grand bombardement tardif

Le Grand bombardement tardif (ou Late Heavy Bombardment, LHB en anglais) est une période théorique de l'histoire du dispositif solaire s'étendant approximativement de 4, 1 à 3, 9 milliards d'années, pendant laquelle se serait produit une notable augmentation des impacts météoriques ou cométaires sur les planètes telluriques.

L'existence de cette période de grands bombardements météoriques n'est pas avérée, mais elle est déduite des datations des roches lunaires rapportées par les missions du programme Apollo qui ont atteint la Lune, qui indiquent que ses sols ont un âge d'environ 4 milliards d'années, soit plusieurs centaines de millions d'années de moins que le Dispositif solaire lui-même. Ce résultat surprit la communauté scientifique qui pensait tandis que la période de bombardement intense des planètes par les corps qui plus est petite taille avait eu lieu principalement immédiatement après la formation du Dispositif solaire. L'existence d'un bombardement plus tardif conduisit à l'élaboration d'un scénario dans lequel un évènement astronomique notable a pu initier une reprise de ce bombardement sur la Lune, et plus largemen, la totalité du Dispositif solaire interne, plusieurs centaines de millions d'années après sa formation. L'un des scénario les plus réalistes actuellement semble être celui d'une migration des planètes géantes (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune), qui aurait produit diverses résonances, conduisant à déstabiliser les ceintures d'astéroïdes existant alors.

Données suggérant l'existence du grand bombardement tardif

Les trois dernières missions Apollo s'étant posées sur la Lune - Apollo 15, Apollo 16 et Apollo 17 - ont eu leur site d'alunissage choisi à proximité de grands bassins d'impacts, respectivement la Mer des Pluies (Mare Imbrium), la Mer des Nectars (Mare Nectaris) et la Mer de la Sérénité (Mare Serenitatis). La datation des échantillons de roches lunaires rapportés sur Terre révéla que leur âge s'étalait sur une fourchette assez étroite, aux alentours de 3, 8 à 4, 1 milliards d'années^[1]. L'hypothèse que cette fourchette d'âge suggère l'existence d'une abondance d'impacts à cette époque ne fut pas acceptée tout de suite, mais progressivement confortée par la datation des météorites trouvées sur Terre ayant pour origine la Lune, après en avoir été expulsées suite à un impact important. Les météorites lunaires offrent en effet l'opportunité de sonder la totalité de la surface lunaire et non seulement les quelques sites d'alunissage des missions Apollo, et leur analyse récente indique qu'aucune d'entre elles n'est plus vieille que 3, 92 milliards d'années, avec des âges quelquefois plus récents, mais concernant un nombre décroissant de météorites^[2].

Sur Terre, si les traces de ces impacts particulièrement anciens sont quasi-inexistantes du fait de l'érosion, la datation des roches terrestres ne dépassait jamais les 4 milliards d'ancienneté. À une époque, ce résultat fut reconnu comme une preuve que la Terre était longtemps restée liquide, et ne s'était solidifiée en surface qu'à cette époque. Les modèles actuels indiquent que le temps de solidification fut énormément plus bref (4, 404 milliards d'années pour des zircons dans le craton d'Yilgarn, en Australie occidentale). La théorie du grand bombardement tardif permet d'expliquer la relative jeunesse de la croûte terrestre, dans les conditions d'un taux de refroidissement d'origine énormément plus court, lors de l'Hadéen.

Le bassin Caloris sur Mercure ; mais aussi le bassin d'Hellas sur Mars, qui sont les plus grands bassins d'impacts de leur planète respective, dateraient aussi de cette époque.

Caractéristiques du grand bombardement tardif

Le grand bombardement tardif tel que théorisé, semble affecter de manière globale les planètes telluriques : la Lune, la Terre, Mars, Vénus, Mercure mais aussi (4) Vesta. Sa durée estimée est de 50 à 150 millions d'années, centrées sur 3, 9 milliards d'années. Le taux de bombardement est estimé à 20 000 fois celui aujourd'hui observé sur Terre, ce qui correspond par exemple à un impact d'un objet de plus de 1 km l'ensemble des 20 ans^[3].

Cause du grand bombardement tardif

Un bombardement cataclysmique, tardif comparé à la formation du dispositif solaire, n'est envisageable que s'il existe un réservoir de petits corps resté stable pendant 600 millions d'années, avant d'être déstabilisé par un élément déclencheur. L'élément déclencheur pourrait être une modification dans la structure orbitale des planètes géantes^[4]. L'actuelle ceinture d'astéroïdes est probablement trop peu massive pour expliquer le bombardement observé. Un réservoir de petits objets, beaucoup plus important, semble indispensable. Un tel réservoir aurait put exister après la formation des planètes du dispositif solaire, laissant dans des régions plus externes (au-delà des orbites d'Uranus et Neptune) une masse importante (plus de 30 masses terrestres) d'objets.

Le scénario le plus abouti pour expliquer ce bombardement a été proposé en 2005^[5]. Ce scénario propose que l'élément déclencheur fut le passage par une résonance orbitale 2 :1 entre Jupiter et Saturne, c'est-à-dire que Saturne aurait vu sa période de révolution autour du Soleil passer à précisément deux fois celle de Jupiter. Ce phénomène serait à l'origine d'une déstabilisation massive des corps de petite masse du dispositif solaire interne, dont certains auraient alors été pourvus d'orbites à forte excentricité, leur permettant d'atteindre les région internes du dispositif solaire où ils auraient pu entrer en collision avec les planètes telluriques. Cette proportion d'objets demeure faible : uniquement 0, 1%, mais est suffisante étant donnée la masse d'origine de planétésimaux disponibles.

Dans ce scénario, Jupiter et Saturne sont au départ assez proche de leur configuration actuelle, Saturne étant plus près du Soleil qu'actuellement et Jupiter plus loin, et Saturne restant plus éloigné du Soleil que Jupiter. Dès lors, le rapport des périodes de révolution des deux planètes est un peu inférieur à 2. Uranus et Neptune sont aussi plus près du Soleil qu'aujourd'hui, Neptune en étant même plus proche qu'Uranus (distance de 12 et 14 unités astronomiques respectivement. La phase d'origine de formation des planètes géante a nettoyé le dispositif solaire interne de l'ensemble des débris (planétésimaux) qui s'y trouvaient originellement. Il ne subsiste qu'un disque assez massif (entre 30 et 50 masses terrestres) au-delà des orbites d'Uranus et Neptune.

Déroulement du scénario

Tant que Jupiter est Saturne ne sont pas en résonance orbitale, la configuration est dans un état assez stationnaire. Au moment du passage en résonance 2 :1 de Saturne, celle-ci prend une excentricité orbitale importante, lui permettant d'atteindre lors de l'aphélie de son orbite des régions éloignées du Dispositif solaire. Elle devient alors susceptible d'interagir avec Uranus et Neptune, qui se trouvent fortement perturbées. Surtout Neptune connait une très brusque variation du rayon de son orbite, ce dernier faisant plus que doubler, devenant plus grand que celui d'Uranus, qui augmente aussi. Cette augmentation du rayon de l'orbite de Neptune perturbe particulièrement fortement le disque externe de planétésimaux, dont une partie est expulsée du dispositif solaire, une seconde partie migre vers des régions plus externes, donnant naissance à la ceinture de Kuiper, et une dernière petite partie migre vers des régions plus internes^[6]. Cette dernière va pour partie entrer en collision avec les planètes telluriques, causant le grand bombardement tardif. Les planétésimaux expulsés forment de loin la population la plus importante : plus de 99 % de la masse totale.

Éléments cohérents avec cette théorie

Outre sa capacité à expliquer une formation des croûtes terrestre et lunaire 600 millions d'années plus récentes que la formation du dispositif solaire, le scénario du grand bombardement tardif explique un certain nombre d'autres caractéristiques du dispositif solaire :

• Certains planétésimaux sont capturés sur l'orbite de Jupiter, aux points de Lagrange L4 et L5 (c'est-à-dire le long de l'orbite de jupiter, mais 60° en avance ou en retard sur la planète), donnant naissance aux astéroïdes troyens. Le scénario rend compte de façon satisfaisante de l'abondance des statistiques orbitales de ces populations.
• Certains de ces astéroïdes troyens ont leur densité connue, car ils possèdent un compagnon en orbite (c'est le cas de (617) Patrocle). Les propriétés de tels dispositifs ne correspondant pas à celles de la ceinture principale, mais à celles des objets de la ceinture de Kuiper, suggérant une origine commune.
• Les différentes caractéristiques de la ceinture d'astéroïdes semblent pouvoir être reproduites, comme les statistiques orbitales de la partie de la population principale en résonance orbitale 3 :2 avec Jupiter.
• La masse de la ceinture de Kuiper, d'uniquement 0, 1 masse terrestre, est beaucoup plus faible que la masse du disque transneptunien d'origine, conformément au scénario qui prédit que plus de 99% de la masse de ce dernier est expulsée. Incidemment, ce dernier indique que le nombre d'objets de masse identique avec (134340) Pluton était à l'origine particulièrement élevé, atteignant peut-être 1000 unités.

Notes et références

Lien externe

• Film montrant l'évolution des orbites des planètes géantes et des positions des planétésimaux (fichier . avi, 34 Mo)

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