Une collision entre deux planètes en formation pourrait aider, contre toute attente, à conserver l'atmosphère. Ce résultat paraît paradoxal : un tel choc libère pourtant assez d'énergie pour chauffer fortement les roches et favoriser la fuite des gaz vers l'espace.
C'est ce que montre une étude publiée dans Nature Astronomy par Darius Modirrousta-Galian, de l'université Jiao Tong de Shanghai, et Jun Korenaga, de l'université Yale.
Vue d'artiste d'une collision entre deux corps rocheux, l'un de la taille de la Lune et l'autre de celle de Mercure, dans le jeune système de l'étoile HD 172555.
Crédit : NASA/JPL-Caltech.
Autour d'une jeune étoile, des poussières et des roches s'assemblent progressivement. Certains de ces corps finissent par entrer en collision et fusionner. Pendant cette période, une planète peut aussi capter une enveloppe de gaz, principalement composée d'hydrogène et d'hélium, provenant du disque qui entoure encore son étoile. C'est ce qu'on appelle une atmosphère primordiale, très différente de l'air que nous respirons sur Terre.
Pourquoi un choc ne chasse-t-il pas forcément les gaz ?
Deux effets opposés interviennent lors d'une collision majeure. D'un côté, le choc libère une quantité considérable d'énergie. Les couches rocheuses de la planète se réchauffent et peuvent transmettre leur chaleur à l'atmosphère. Les gaz se dilatent alors, ce qui facilite leur fuite dans l'espace.
De l'autre côté, la planète gagne de la matière en absorbant l'objet qui l'a frappée. Sa masse augmente, et il devient plus difficile pour les gaz d'échapper à son attraction gravitationnelle.
Les chercheurs ont modélisé l'évolution d'une planète rocheuse après un impact géant, en tenant compte de ces deux effets. Leur constat : toute la masse ajoutée contribue à mieux retenir l'atmosphère, mais toute l'énergie du choc ne sert pas à réchauffer les roches qui se trouvent sous celle-ci.
Une partie de cette énergie est consommée pour faire fondre les roches du manteau, la couche située entre la surface et le noyau. Cette fusion demande de l'énergie sans se traduire entièrement par une hausse de température. Par ailleurs, le noyau métallique de l'objet impacteur peut s'enfoncer dans la planète et rester extrêmement chaud en profondeur, sans transmettre immédiatement l'essentiel de sa chaleur au manteau.
Dans les conditions étudiées, le renforcement de la gravité peut donc l'emporter sur le réchauffement qui favorise la perte des gaz.
Une piste pour expliquer deux grandes familles d'exoplanètes
Cette découverte théorique pourrait expliquer une particularité des planètes observées autour d'autres étoiles. Les astronomes détectent de nombreuses super-Terres, des planètes plus massives que la Terre, et des sous-Neptunes, généralement plus grandes et entourées d'une épaisse enveloppe gazeuse.
Selon le scénario proposé, les planètes qui grossissent à la suite de collisions majeures pourraient plus facilement conserver une enveloppe riche en hydrogène et devenir des sous-Neptunes. À l'inverse, des planètes rocheuses restées plus petites pourraient perdre leurs gaz primitifs sous l'effet prolongé du rayonnement de leur étoile, notamment de ses émissions les plus énergétiques.
Le modèle prévoit ainsi que les sous-Neptunes possèdent, en moyenne, des intérieurs rocheux plus massifs que les super-Terres. Cette différence ne serait donc pas seulement liée à la présence ou à l'absence de gaz, mais aussi à l'histoire des collisions qui ont façonné ces mondes.
Il s'agit toutefois d'une explication fondée sur des calculs théoriques. Les mesures de masse et de rayon des exoplanètes pourront aider à tester les différences de structure prévues par les chercheurs.