Les scientifiques pensent qu’ils savent quand une étoile voyous va ruiner le système solaire

En 1687Monsieur Isaac Newton publie son magnum opus, Principes mathématiques de la philosophie naturellequi synthétise efficacement ses théories sur le mouvement, la vitesse et la gravitation universelle.

En ce qui concerne ce dernier, Newton offrait un moyen de calculer la force de gravité et de prédire les orbites des planètes. Depuis, les astronomes ont découvert que le Système solaire n’est qu’un petit point lumineux en orbite autour du centre de la Voie Lactée. À l’occasion, d’autres étoiles passeront à proximité du système solaire, ce qui peut provoquer un bouleversement dramatique pouvant expulser des objets de leur orbite.

Ces « survols stellaires » sont courants et jouent un rôle important dans l’évolution à long terme des systèmes planétaires. En conséquence, la stabilité à long terme du système solaire fait l’objet d’études scientifiques depuis des siècles. Selon un nouvelle étude par une équipe d’astrophysiciens canadiens, les résidents du système solaire peuvent dormir tranquilles. Après avoir mené une série de simulations, ils ont déterminé qu’une étoile ne passerait pas et ne perturberait pas notre système solaire avant 100 milliards d’années. Au-delà, les possibilités sont quelque peu effrayantes !

La recherche a été menée par Garett Brownétudiante diplômée en physique computationnelle du Département des sciences physiques et environnementales (PES) de l’Université Université de Toronto à Scarborough. Il a été rejoint par Ont Rêne, professeur agrégé d’astrophysique (et mentor de Brown) également du PES à UT Scarborough. L’article qui décrit leurs découvertes a été récemment publié dans le Avis mensuels du Royal Astronomical Journal. Comme ils l’ont indiqué dans leur article, l’étude des survols stellaires pourrait révéler beaucoup sur l’histoire et l’évolution des systèmes planétaires.

Comme Brown l’a expliqué à Univers aujourd’hui par e-mail, cela est particulièrement vrai des étoiles comme le système solaire au début de son histoire :

“La pleine mesure que les survols stellaires jouent dans l’évolution des systèmes planétaires est toujours un domaine de recherche actif. Pour les systèmes planétaires qui se forment dans un amas d’étoiles, le consensus est que les survols stellaires jouent un rôle important tandis que le système planétaire reste dans l’amas d’étoiles. Il s’agit généralement des 100 premiers millions d’années d’évolution planétaire. Après la dissipation de l’amas d’étoiles, le taux d’occurrence des survols stellaires diminue considérablement, réduisant leur rôle dans l’évolution des systèmes planétaires.

La théorie la plus largement acceptée pour la formation du système solaire est connue sous le nom de Hypothèse de nébuleusequi indique que le Soleil s’est formé à partir d’un énorme nuage de poussière et de gaz (connu sous le nom de nébuleuse) qui a subi un effondrement gravitationnel en son centre.

La poussière et le gaz restants forment alors un disque autour du Soleil, qui s’accréte lentement pour former un système de planètes. Dans une version de l’hypothèse, le Soleil s’est formé en raison de perturbations dans la nébuleuse, peut-être d’un survol rapproché par une autre étoile (ou une supernova). Mais comme l’a expliqué Brown, les survols stellaires sont également susceptibles d’avoir joué un rôle dans la formation des planètes.

“Pendant le développement de la planète, lorsqu’il y a un disque de poussière et de gaz autour d’une étoile, les survols stellaires devraient être responsables de la troncature du disque, ce qui empêcherait la formation de planètes sur des orbites plus larges et plus éloignées”, a-t-il déclaré. “Pour les planètes qui se sont déjà formées sur de larges orbites, on pense que les survols stellaires sont responsables de l’élimination ou de la déstabilisation des planètes les plus éloignées.”

Une autre théorie largement acceptée est que notre Soleil s’est formé il y a environ 4,5 milliards d’années dans le cadre d’un amas d’étoiles qu’il a quitté depuis longtemps. Avec ces théories à l’esprit, Brown et Rein ont étudié comment faire partie d’un amas (et donc soumis à des survols stellaires) aurait pu modifier le système solaire une fois que ses planètes se sont formées et faisaient partie d’un système établi. Ils ont découvert que le rôle joué par les survols stellaires dépend de la force avec laquelle l’étoile qui passe peut perturber le système. Ils ont en outre déterminé qu’un survol stellaire peut déstabiliser dynamiquement un système, provoquant l’écrasement ou l’éjection des planètes.

Cela représentait un défi important en raison d’un problème qui afflige les astronomes depuis que Newton a proposé sa théorie de la gravitation universelle. Pour le dire brièvement, tout se résume au problème des N corps, qui décrit la difficulté de prédire les mouvements individuels d’un groupe d’objets célestes interagissant les uns avec les autres gravitationnellement. Résoudre cela avec précision reste une impossibilité mathématique, les astronomes sont donc obligés de faire des approximations numériques. Mais comme l’a dit Brown, il y a encore deux problèmes majeurs avec ces calculs :

«Premièrement, le mouvement des planètes est chaotique, ce qui signifie que de petites différences dans les conditions initiales du système entraîneront des résultats radicalement différents (même des différences aussi petites qu’une partie sur un billion). Et deuxièmement, les échelles de temps impliquées sont radicalement différentes. Nous pouvons avoir une idée du résultat statistique d’un système chaotique en utilisant un ensemble de solutions numériques. Pour la stabilité à long terme du système solaire, cela peut nous donner un ratio de simulations qui finissent par déstabiliser par rapport au nombre de simulations qui restent stables jusqu’à la fin du temps d’intégration.

« Cependant, résoudre le problème des délais est beaucoup plus difficile. Des méthodes numériques sophistiquées ont été développées au cours des 50 dernières années, ce qui rend cela plus facile à gérer, mais nous devons essentiellement simuler le mouvement des planètes un jour à la fois pendant des milliards d’années. Cela nécessite une quantité incroyable de ressources de calcul. Nous voulons généralement savoir si le système solaire restera stable pendant la durée de vie restante du Soleil (environ 5 milliards d’années). Même avec des ordinateurs modernes (aussi rapides soient-ils), cela peut facilement prendre 3 à 4 semaines pour exécuter une seule simulation de 5 milliards d’années du système solaire.

Pour même commencer à obtenir des statistiques raisonnables, a ajouté Brown, les chercheurs doivent effectuer des milliers de simulations différentes. Il y a deux façons de procéder : exécuter les simulations sur un seul ordinateur pendant 70 ans ou plus ou utiliser des milliers d’ordinateurs différents simultanément pendant un mois. Cela rend non seulement l’analyse statistique très compliquée mais aussi très coûteuse. Pour leurs analyses, Brown et Rein ont utilisé le Supercalculateur Niagara au centre SciNet de l’Université de Toronto, qui fait partie du réseau Digital Research Alliance of Canada.

Comme Brown l’a expliqué, lui et Rein ont utilisé deux méthodes principales pour calculer les perturbations potentielles causées par les survols de Steller.

« La première était une approximation analytique développée en 1975 par Douglas Heggie et affinée au fil des ans avec ses collaborateurs. C’est une approximation qui suppose que la vitesse relative entre les deux étoiles est petite par rapport à la vitesse orbitale des planètes. Cette estimation analytique nous permet de calculer très rapidement l’ordre de grandeur des estimations de la façon dont un survol stellaire modifiera le demi-grand axe d’une planète.

La deuxième méthode, ils ont utilisé des intégrations numériques en utilisant REBOND, un code open-source polyvalent à N corps pour la dynamique collisionnelle développé par Hanno Rein et ses collaborateurs. Entre ces deux méthodes, Brown et Rein ont pu simuler numériquement un survol stellaire puis mesurer l’état du système avant et après. Au final, leurs résultats indiquaient que les perturbations du système solaire nécessiteraient un survol très proche et qu’une rencontre stellaire de ce type n’était pas susceptible de se produire avant un très longue durée. Brown a dit :

“Nous avons constaté que les changements critiques de l’orbite de Neptune devaient être de l’ordre de 0,03 UA ou 4,5 milliards de mètres pour avoir un impact sur la stabilité à long terme du système solaire. Ces changements critiques pourraient multiplier par dix la probabilité d’instabilité au cours de la durée de vie du système solaire. De plus, nous avons estimé qu’un survol stellaire critique comme celui-ci pourrait se produire une fois tous les 100 milliards d’années dans la région où se trouve actuellement le système solaire.

“[W]Nous avons estimé qu’il nous faudrait attendre environ 100 milliards d’années avant qu’un survol stellaire au-delà du système solaire ne multiplie par dix les chances de démanteler son architecture actuelle (et ce n’est toujours pas une garantie de destruction).

Compte tenu de l’histoire mouvementée du système solaire, il est compréhensible que l’idée de survols stellaires (et les perturbations qui en résultent) inquiète certains. Après tout, les astronomes théorisent que les « bouleversements planétaires » peuvent être une caractéristique commune de l’évolution d’un système et que de gros objets sont régulièrement éjectés des confins d’un système en raison des survols. Un bon exemple est la plus grande lune de Neptune, Triton, qui se serait formée dans la ceinture de Kuiper et aurait été projetée vers le système solaire intérieur, où Neptune l’a capturée (ce qui a conduit à la destruction des satellites originaux de Neptune).

De plus, les interactions gravitationnelles avec d’autres systèmes stellaires expliquent pourquoi nous avons des comètes à longue période, où des objets expulsés du nuage d’Oort traversent périodiquement le système solaire interne. L’idée qu’un survol rapproché puisse nous envoyer de nombreuses comètes (ou des objets plus gros comme un planétoïde) ressemble à un scénario apocalyptique ! Mais comme Douglas Adams l’a si bien dit : « Ne paniquez pas ! Non seulement les survols stellaires se produisent régulièrement, mais ils passent généralement à des années-lumière et n’influencent pas le système solaire.

À bien des égards, cela ressemble aux astéroïdes proches de la Terre (NEA) et à la possibilité que l’un d’entre eux entre un jour en collision avec la Terre. Bien que nous sachions que des impacts dévastateurs se sont produits dans le passé (comme le Événement d’impact Chicxulub qui a tué les dinosaures ca. il y a 65 millions d’années), les NEA effectuent régulièrement des passages rapprochés avec la Terre qui ne présentent aucune menace. Par ailleurs, des analyses récentes de deux NEA considérés comme « potentiellement dangereux » (2022 AE1 et Apophis) a découvert que ni l’un ni l’autre ne menaceraient la Terre pendant longtemps.

De plus, les observations récentes de missions comme celle de l’ESA Observatoire Gaïa ont fourni les données les plus précises sur les mouvements et les vitesses propres des étoiles dans la Voie Lactée. Comme l’a noté Brown, cela comprenait des données sur les survols imminents et leur proximité avec notre système :

“Deux étoiles notables sont HD 7977, qui peut être passée à moins de 3 000 UA (0,0457 années-lumière) du Soleil il y a environ 2,5 millions d’années, et Gliese 710 (ou HIP 89825), qui devrait passer à environ 10 000 UA (0,1696 années-lumière) du Soleil dans environ 1,3 million d’années. En faisant quelques calculs approximatifs, ces deux étoiles n’auront aucun effet appréciable sur l’évolution du système solaire.

De plus, il se passera beaucoup de choses d’ici là, et il est très peu probable que l’humanité soit là pour assister à un tel événement. En supposant que nous ne nous soyons pas conduits à l’extinction ou que nous n’ayons pas quitté la Terre pour explorer d’autres parties de la galaxie, la planète Terre cessera d’être habitable bien avant cela. “Étant donné que le Soleil va s’étendre et engloutir la Terre dans environ 5 milliards d’années, l’éloignement physique des autres étoiles n’est pas un problème dont nous devons nous soucier”, a déclaré Brown.

Cet article a été initialement publié le Univers aujourd’hui par Matt Williams. Lis le article original ici.