On considère que les planètes se forment en même temps que leur étoile, par accrétion et condensation d'un nuage de gaz et de poussières sous l'influence de la gravitation. Tous les modèles de formation planétaire commencent donc par la formation d'une, voire de deux ou plus, étoiles au sein d'un effondrement, suivie par l'accrétion (L'accrétion désigne en astrophysique, en géologie et en météorologie l'accroissement par...) des poussières dans le disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une...) résiduel circumstellaire.
Une galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de...) est un corps autogravitant aplati formé de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) plus ou moins ionisés (plus ou moins chauds autrement dit) qui se stratifient selon l'épaisseur par gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.). Le plan médian, appelé plancher galactique, le plus dense, correspond pourrait-on dire à la troposphère (La troposphère est la partie de l'atmosphère terrestre située entre la surface du globe et une...) terrestre et c'est en son sein que se déroule la formation d'étoiles, assimilables à des précipités de gaz, suivie d'une restitution partielle sous le mode nébuleuse planétaire (En astronomie, une nébuleuse planétaire est un objet astronomique qui ressemble à un...) ou supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une...), selon la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) de l'étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une...). Le gaz restitué est enrichi en éléments lourds (C, N, O, Si, Al, Mg, Fe, etc.) qui se condensent en poussières, dont le rôle ultérieur est essentiel pour la formation planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire...).
Les étoiles naissent en groupe au sein de vastes complexes moléculaires qui parsèment le plancher galactique. Ces complexes (ou nuages) moléculaires sont ainsi nommés en référence au fait que l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) s'y présente sous forme de molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) de dihydrogène (Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe...) H-H. Ces « régions H2 » sont particulièrement denses (plus de 10 000 atomes/cm3) et froides (typiquement 10 à 100 K) par rapport aux régions voisines HII formées d'hydrogène ionisé ( chaudes à 10 000 K et presque vides avec 10 atomes/cm3 ou moins). La formation de ces régions nous introduit au phénomène central de la formation stellaire (qui se reproduit ensuite un peu différemment pour les planètes gazeuses, au moment d'accréter) : l'effondrement gravitationnel.
Il y a effondrement lorsque la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) de gravité créée par le nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en...) excède la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) résultant (En mathématiques, le résultant est une notion qui s'applique à deux polynômes....) du couple température-densité. L'effondrement est typiquement un phénomène auto-entretenu : au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île...) et à mesure que les molécules du nuage se dirigent vers le centre, sa densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) augmente et avec elle la gravité qu'il génère.
Mais le processus ne peut pourtant se continuer que si l'énergie thermique (L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'un objet, qui est due à une agitation...) peut s'évacuer. En se contractant, c’est-à-dire en chutant librement sur lui-même, le nuage convertit son énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) gravitationnelle en énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) et celle-ci engendre une pression thermique, à l'occasion de nombreux chocs. Il faut donc que le nuage rayonne, phénomène facilité par la densité croissante, qui augmente la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un...) des chocs moléculaires, en partie non-élastiques.
Il se forme ainsi au centre un noyau de gaz, alors appelé proto-étoile (Une proto-étoile (ou protoétoile) est une grande masse qui se forme par la contraction...), sur lequel tombe un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) de gaz à une vitesse (On distingue :) qui croit avec la gravité de l'astre, c’est-à-dire avec sa masse. Un corps en chute libre percute la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) de l'astre avec une vitesse égale à la vitesse de libération (La vitesse de libération (aussi appelée vitesse d'évasion, vitesse parabolique, vitesse de...) de cet astre. Elle augmente rapidement au delà de 10 km/s pour la proto-étoile. Au bilan, l'énergie gravitationnelle du nuage (Eg = GM²/r) est convertie en chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) à la surface du jeune astre et constitue une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) d'énergie rayonnée considérable. L'étoile naissante, avant même d'entamer le processus de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) de l'hydrogène possède une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) de surface 10 fois supérieure à ce qu'elle deviendra après stabilisation en séquence principale (La séquence principale est une bande continue et bien distincte d'étoiles qui...) (soit pour le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...) de l'ordre de 60 000 K contre 6 000 K par la suite). L'intense rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) de la proto-étoile, situé dans les UV, permet donc la poursuite du processus, tant que le nuage qui la surplombe reste transparent.
Cette transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la...) est contrecarrée par la présence de poussière en densité croissante avec l'effondrement et qui l'opacifie. Toutefois en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) que le nuage se contracte, il augmente sa vitesse angulaire (En physique, et plus spécifiquement en mécanique, la vitesse angulaire ω, aussi appelée...) de rotation afin de conserver son moment M de rotation.
En tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) point (Graphie), M ~ w.r avec w la vitesse angulaire, en rad (L'abréviation rad désigne habituellement le radian, une unité d'angle.).s-1 et r la distance au centre de gravité (Le centre de gravité est le point d'application de la résultante des forces de...). Si le r moyen diminue, w augmente : les pôles se dépeuplent en conséquence en faveur de l'équateur et ce tournoiement accéléré aplatit le nuage.
Les pôles étant déchargés de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...), l'étoile peut rayonner librement sur une moitié de son angle solide (En mathématiques, en géométrie et en physique, un angle solide est l'analogue...). Par contre, la rotation de ce disque (où va se dérouler la formation planétaire) limite le processus d'effondrement et l'arrête complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) en l'absence de mécanisme qui dissipe son énergie de rotation.
Ce disque est extraordinairement ténu, par rapport à toute forme d'état de la matière (Bien que le concept de phase soit simple, il est difficile de le définir précisément. Une bonne...) observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire...) sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...). Il s'agit pourtant d'une zone très dense de gaz et de poussière, à l'échelle interstellaire. Un corps de taille métrique en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) en son sein met moins de 10 Ma pour tomber sur la proto-étoile, en dissipant son énergie gravitationnelle par frottements.
C'est dans cet intervalle que vont pouvoir se former des planètes.
Au départ, le nuage possède une opacité (L'opacité est l'inverse de la transparence. Qui s'oppose au passage de la lumière.) non négligeable sur une épaisseur de l'ordre de 10 à 30 UA. La poussière responsable de cette opacité tombe doucement, à une vitesse de un à dix mètres par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...), au sein du gaz ténu, vers le plan de révolution. En 10 000 ans environ, la proto-étoile se dote d'un disque fin de poussières (quelques kilomètres d'épaisseur) enserré dans une galette de gaz qui garde presque son épaisseur initiale. La poussière, durant sa chute au sein d'un gaz turbulent (Le HMS Turbulent (n° de coque : S 87) est un bâtiment de la classe Trafalgar de sept...) forme au hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon...) des flocules qui peuvent atteindre des tailles centimétriques (10 000 plus gros que les poussières). L'agrégation résulte des simples forces de contacts entre grains.
Avant que ces grumeaux poussiéreux aient atteint une taille kilométrique, ils génèrent une traînée (En mécanique des fluides, la traînée est la force qui s'oppose au mouvement d'un...) hydrodynamique suffisante pour les faire plonger vers la surface de la jeune étoile en moins d'un siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...) (pour un corps de un mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du...) situé à une unité astronomique). Il s'agit donc d'une étape critique. La phase de formation allant du centimètre (Un centimètre (symbole cm) vaut 10-2 = 0,01 mètre.) au kilomètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système...) (soit un gain de cinq ordres de grandeur) est une des plus difficilement modélisables, les rencontres au hasard à grande vitesse (plusieurs kilomètres à dizaines de kilomètres par seconde) étant tout autant susceptibles de pulvériser l'agrégat que de former un corps plus massif (Le mot massif peut être employé comme :) capable d'encaisser les chocs ultérieurs.
En raison de sa masse supérieure, un des corps parvient à attirer par gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...) des poussières du sillon planétaire dans un périmètre (Le périmètre d'une figure plane est la longueur du bord de cette figure. Le calcul du...) qui excède son diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...). À l'issue de ce stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe...), il peut atteindre le kilomètre et est à la fois attractif pour ce qui l'entoure et résistant en termes de traînée. Il se forme alors un planétésimal (Un corps céleste constitué dans un disque protoplanétaire ou un disque de...), dont le diamètre peut atteindre cinq à dix kilomètres et la masse est de l'ordre de mille milliards de tonnes. Il deviendra un petit corps (astéroïde ou comète) ou une planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...).
À ce stade, le système est peuplé de milliards de comètes coexistant avec des corps solides de tailles échelonnées du micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.) au kilomètre.
La formation de planète à partir des planétésimaux dure environ 100 000 ans et a fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) de simulations numériques qui en donnent l'image suivante :
Les simulations numériques montrent que les orbites circulaires des cœurs planétaires sont perturbées par les interactions gravitationnelles mutuelles et ont tendance à devenir elliptiques, ce qui favorise la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...) des cœurs et leur croissance par agglomération. Cette phase nettoie également le système en formation des innombrables planétésimaux résiduels qui, s'ils frôlent de trop près les planètes en formation sont détruits par la force de marée (La force de marée est une conséquence de la non-uniformité de la force de...) ou expulsés dans l'espace interstellaire.
Dans un disque circumstellaire d'environ un millième de masse solaire (En astrophysique, la masse solaire est l'unité de masse conventionnellement utilisée pour les...), une planète tellurique (Les planètes telluriques (du latin tellus, la terre, le sol), en opposition aux planètes...) (ou rocheuse) peut se former en 10 à 100 millions d'années et le scénario qui précède rend compte avec succès de leur formation.
Expliquer la formation des planètes gazeuses — quelque 100 000 ans à 1 million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) d'années — comme Jupiter ou Saturne dans un disque de masse minimal, tel que précédemment défini est plus problématique.
Les planètes géantes sont sans doute constituées d'un cœur solide (métaux + silicates + glaces planétaires) qui doit ensuite capturer par gravité une enveloppe gazeuse, ce qui nécessite l'atteinte d'une masse critique en deçà de laquelle la pression due à l'énergie libérée par les planétésimaux qui rentrent en collision avec le cœur planétaire est suffisante pour s'opposer à l'effondrement gravitationnel du gaz environnant, et l'enveloppe gazeuse reste peu importante. À l'emplacement des géantes gazeuses de notre système, la masse critique est de l'ordre de quinze masses terrestres ce qui correspond à peu près à la masse de Neptune ou d'Uranus.
Au-delà de la masse critique l'accrétion ne s'arrête qu'après épuisement du gaz disponible dans la fraction du disque où s'est formée la planète, ouvrant ainsi un sillon dans le disque protoplanétaire (Les étoiles se forment à partir d'un nuage de gaz et de poussières dont la partie centrale...). Ainsi se forment des géantes gazeuses de la masse de Jupiter (trois cents masses terrestres) ou de Saturne (cent masses terrestres).
Encore faut-il pour cela que tout le disque ne soit pas déjà retombé sur l'étoile. Or sa durée de vie (La vie est le nom donné :) n'est que de un à quelques dizaines de millions d'années.
Les simulations montrent que pour former des planètes de la masse de Saturne et de Jupiter le disque doit posséder une masse de trois à cinq fois supérieure à la masse minimale suffisante à la formation des planètes telluriques et doit les former en un temps limité par la durée de vie du disque.