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La naissance chaotique des planètes

La formation de planètes comme la Terre ressemble à un jeu de billard: un petit changement dans la première collision des blocs de construction peut conduire à un résultat complètement différent illustré par une comportement chaotique mais pas aléatoire, comme l’ont montré des chercheurs de PlanetS de l’Université de Zurich. Grâce à la mise en place du plus rapide code au monde pour simuler les collisions, leurs prédictions peuvent être testées avec les futurs programmes d’observation.

Illustration montrant l’évolution de notre système solaire. (Illustration: Sebastien Elser)

Illustration montrant l’évolution de notre système solaire. (Illustration: Sebastien Elser)

On estime que les planètes rocheuses comme la Terre sont le résultat d’un grand nombre d’interactions gravitationnelles et de collisions entre des petits corps. “Nous avons développé le code le plus rapide du monde pour simuler la formation des planètes, GENGA, effectué entièrement sur les cartes de traitement graphique», explique Volker Hoffmann de l’Institut des Sciences Informatiques de l’Université de Zurich et membre du Pôle de Recherche National PlanetS. “Cela accélère le calcul d’un ordre de grandeur et nous permet ainsi d’étudier la statistique de la formation des systèmes planétaires.”

Les calculs montrent qu’autour de chaque étoile simulée par les scientifiques se forment plusieurs planètes terrestres. Dans cette étude ils trouvent que quelques soient les conditions initiales les résultats des simulations se répartissent en un vaste tableau de configurations planétaires. Il suffit qu’une seule brique planétaire initiale soit déplacée de moins d’une millimètre pour que l’ensemble des planètes soit complètement différent, de plus le temps d’une divergence chaotique diminue avec le nombre de particules. Si notre système solaire avait contenu une molécule supplémentaire la Terre ne se serait peut-être pas formée.

La Terre photographiée depuis la Lune par les astronautes d’Apollo. (Photo: NASA)

La Terre photographiée depuis la Lune par les astronautes d’Apollo. (Photo: NASA)

Un comportement qui rappelle le billard. Les trajectoires de deux boules qui se collisionnent peuvent être calculées avec une certaine incertitude, une incertitude qui augmente toutefois avec le nombre de collisions. De plus, un changement minime de l’angle ou de la vitesse du premier choc peut conduire à une configuration finale complètement différente. Ce comportement chaotique ne veut dire que le billard se comporte au hasard. Il est théoriquement possible de calculer le résultat, mais impossible d’un point de vue pratique, les ordinateurs n’étant pas encore assez puissants. « Aucun ordinateur n’est assez puissant pour simuler le résultat de ne serait-ce que 9 collisions. Rien que la présence d’une personne près de la table influencerait le résultat du aux forces de gravité » explique Ben Moore, le leader du groupe de recherche.

Pour construire notre système solaire il faudrait connaître précisément les positions et les vitesses de 1057 atomes. Ce comportement hautement chaotique pose la question des différents scénarii de l’évolution et de la formation de notre système solaire et des systèmes planétaires en général. Cependant, plusieurs simulations peuvent être utilisées avec les mêmes conditions initiales pour prédire une certaine statistique globale. « Nous trouvons par exemple que les mêmes simulations incluant des planètes géantes comme Jupiter génèrent moins de planètes mais avec une plus grande masse que les simulations sans planètes géantes », explique Volker Hoffmann. « Ces prévisions peuvent être comparées avec de futures observations. En supprimant les valeurs aberrantes des observations, nous pouvons prédire avec toutefois une certaine prudence que Kepler-10, 61Vir, HD134060 et HD51608 pourraient héberger des planètes géantes encore non détectées.

Pour plus d’information contactez :
Volker Hoffmann, volker@physik.uzh.ch
Prof. Dr. Ben Moore, ben.moore@uzh.ch

References:
Volker Hoffmann, Simon Grimm, Ben Moore, Joachim Stadel: “Chaos in terrestrial planet formation“,
http://arxiv.org/abs/1508.00917
https://bitbucket.org/sigrimm/genga, “The GENGA Code”, http://arxiv.org/abs/1404.2324
Michael Berry, 1967 “Regular and irregular motion” Topics in Non-linear Mechanics, Am.Inst.Ph.Conf.Proc No. 46, 16-120

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