Moment cinétique du système solaire

Paradoxe du moment cinétique

Le moment cinétique est une grandeur physique qui s'exprime en kilogramme-mètre carré par seconde (kg.m².s-1). Un exemple d'application de cette grandeur physique se trouve, dans le mouvement des planètes autour du Soleil. Le moment cinétique d'un système est égal à la somme des moments de ce système (moment cinétique de rotation, essentiellement du Soleil dont la masse est considérable et moment cinétique de révolution, essentiellement de Jupiter et de Saturne). Dans le système solaire, le Soleil a capté 99,86% de la masse totale de la poussière et du gaz de la nébuleuse originelle. Jupiter, la plus grosse planète du système, a capté 71% du restant. Les autres planètes se sont partagées le résidu de cette évolution gravitationnelle. Le moment cinétique de rotation est d'environ 10⁴² kg.m².s-1 et le moment cinétique de révolution est d'environ 3x10⁴³ kg.m².s-1, c'est-à-dire 30 fois plus.
Il y a alors un paradoxe car les planètes ne représentent que 1% de la masse totale du système solaire et ne devraient avoir, qu'une petite partie du moment cinétique du Soleil, alors qu'elle représente 97% du moment cinétique total. Dans les nuages interstellaires, on a observé des disques proto stellaires d'où s'échappe une éjection bipolaire de matière.

Qu'est-ce qui explique ce transfert du moment cinétique du Soleil, vers les planètes ?
Cette éjection de matière est beaucoup plus intense que celle du vent solaire actuel.
Aux origines du système solaire, le Soleil produisait aussi, des éjections beaucoup plus intenses de sa masse coronale et ce sont ces éjections qui auraient transféré son moment cinétique vers les jeunes objets en formation dans le nuage.
Les planètes et le Soleil se sont formés à la même période, il y a 4,5 milliards d'années, à partir d'une nébuleuse proto solaire. C'est la datation isotopique qui nous confirme cette date. En effet la décroissance radioactive naturelle des atomes d'uranium, provenant soit de la Terre, soit de la Lune, soit des météorites, nous donnent la demi durée de vie qui a été calculée à 4,5 x 10⁹ années.

N. B. : Le système solaire est en réalité beaucoup plus grand qu'il n'y parait, si l'on considère son influence gravitationnelle (150 000 UA) et tous ses objets.
70 000 corps de plus de 100 km de diamètre se trouvent dans la ceinture de Kuiper (30 UA (symbol : ua ou au) Créée en 1958, c’est l'unité de distance utilisée pour mesurer les distances des objets du système solaire, cette distance est égale à la distance de la Terre au Soleil. La valeur de l'unité astronomique représente exactement 149 597 870 700 m, lors de son assemblée générale tenue à Pékin, du 20 au 31 août 2012, l'Union astronomique internationale (UAI) a adopté une nouvelle définition de l'unité astronomique, unité de longueur utilisée par les astronomes du monde entier pour exprimer les dimensions du Système solaire et de l’Univers. On retiendra environ 150 millions de kilomètres. Une année-lumière vaut approximativement 63 242 ua. Mercure : 0,38 ua, Vénus : 0,72 ua, Terre : 1,00 ua, Mars : 1,52 ua, Ceinture d’astéroïdes : 2 à 3,5 ua, Jupiter : 5,21 ua, Saturne : 9,54 ua, Uranus : 19,18 ua, Neptune : 30,11 ua, Ceinture de Kuiper : 30 à 55 ua, Nuage d’Oort : 50 000 ua. à 100 UA) et le nuage de OortEn étudiant les orbites des comètes, Ernst Öpik, astronome estonien, émet l'hypothèse, en 1932, que les comètes viendraient d'un « nuage » situé aux confins du système solaire. L'idée d'Öpik fut reprise par le néerlandais Jan Oort, en 1950. Il fit le constat que les comètes se détruisent petit à petit en se vaporisant au fur et à mesure de leur passage autour du Soleil, or si elles existaient depuis la création du système solaire, elles seraient détruites depuis longtemps…  (50 000 UA) contient plusieurs milliards de noyaux de comètes de plus de 1,3 km.

Image : Calcul des moments cinétiques de notre système solaire. Le moment cinétique total est égale au moment cinétique de rotation, essentiellement du Soleil et du moment cinétique de révolution, essentiellement de Jupiter et de Saturne.

Composition des objets du système solaire

Remontons la chronologie des évènements.
Il y a environ 14 milliards d'années, le Big Bang se produit. Le système solaire, à partir des datations isotopiques s'est condensé, il y a environ, 4,6 milliards d'années. Mais au delà des méthodes de datation, l'exploitation du système solaire, nous apprend ce qui a pu se passer à son origine, en particulier, les études de la composition des objets du système solaire.
Les planètes géantes ont une composition comparable à celle du Soleil, elles sont composées d'hydrogène, de deutérium et d'hélium. Les planètes telluriques se sont enrichies en matériaux réfractaires, les comètes vont nous renseigner sur le rapport du deutérium à l'hydrogène (D/H).
Tous ces éléments nous permettent de reconstituer un scénario réaliste sur la formation du système solaire. Après le Big Bang et la naissance des étoiles, la nucléosynthèse des éléments plus lourds est apparue dans l'explosion de la phase finale de ces premières étoiles. Les étoiles ont éjecté ces éléments qui se sont dispersés dans les gigantesques nuages de matière et il y a 4,5 milliards d'années, s'est produit, au voisinage d'un bras spiral de la Galaxie, une compression de notre nébuleuse proto solaire.

Des condensations de matière sont apparues puis un effondrement gravitationnel s'est produit au centre. La pression et la densité allaient augmenter et la température devenue colossale (environ 10 millions de kelvin), a engendré des réactions nucléaires au centre de cet effondrement. Pendant ce temps se produisaient des éjections bipolaires intenses, de matière. Les instabilités locales du disque proto planétaire ont permis les collisions et l'agglomération de matière, alors progressivement se sont formés de minuscules planétoïdes constitués de matériaux réfractaires, près du Soleil, de silicates et d'oxyde métallique, un peu plus loin et de glace et de molécules organiques complexes, encore plus loin (>7 UA).
Les objets entre 7 UA et 30 UA ont subi, d'intenses perturbations gravitationnelles dues aux planètes géantes, amenant de gigantesques collisions dans le système solaire. Ces bombardements cataclysmiques intenses, se sont produits pendant environ 600 millions d'années. C'est pendant cette phase instable du système, que la Lune s'est condensée à la suite d'une collision entre la Terre et une autre planète (Gaïa). Tous les objets du système solaire, même les plus petits, ont subit les impacts de ces intenses bombardements.

Image : les grandes périodes de notre univers observable.