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    Le Soleil, l'étoile qui n'aurait pas dû naître  
    Bernard Romney - Ciel & Espace, no 504 - 2012-05-01      
    D'où vient le Soleil ? Mystère. En le comparant avec les autres étoiles de la Galaxie, les astrophysiciens ne parviennent pas à déterminer le lieu d'origine de l'astre du jour, ni les conditions de sa naissance.  
    Ce n'est qu'une intuition, mais j'ai le sentiment que le Système solaire est une rareté." Au Centre de spectrométrie nucléaire et de spectroscopie de masse, à Orsay, Vincent Tatischeff est de ces astrophysiciens que l'existence du Soleil étonne… Bien sûr, notre étoile est banale à bien des égards. Sa masse qui la place parmi les 10% d'étoiles les plus massives n'a rien d'extraordinaire. Son contenu en éléments autres que l'hydrogène et l'hélium n'a rien de singulier. Elle possède des planètes géantes comme au moins 20% de ses congénères et, comme un tiers d'entre elles, elle n'appartient pas à un système stellaire double. Pourtant, à mesure que le scénario de sa gestation s'affine, l'incrédulité grandit chez les spécialistes. Plus ils y regardent de près, plus les conditions à réunir pour engendrer le Soleil et son cortège de planètes tels que nous les connaissons tiennent du miracle. Par exemple, la probabilité pour que l'ensemble des caractéristiques précédentes soient réalisées simultanément est inférieure à 0,2%, comme l'a estimé Fred Adams, de l'université du Michigan (États-Unis). Apparu il y a 4,6 milliards d'années, le Soleil est-il une étoile qui n'aurait pas dû naître ?  
   

Pour comprendre comment est né le Soleil, les astronomes scrutent les régions de formation d'étoiles proches, Ici, dans le Taureau, un filament dense de gaz, vu en ondes submillimétriques.

 
   

Chronologie

 
1976   Découverte dans la météorite d'Allende de traces de la présence passée d'aluminium 26. Elles suggèrent qu'une supernovae a explosé à proximité de la nébuleuse protosolaire.  
1988   Découverte de traces passées de fer 60 dans plusieurs météorites. L'hypothèse de l'explosion d'une supernovae proche du jeune Soleil devient incontournable.  
2003   Découverte de Sedna dans la Ceinture de Kuiper. Son orbite très excentrique ne s'explique que si le Soleil est né dans un amas de quelques milliers d'étoiles.  
2009   Les simulations de Simon Portegies Zwart montrent que 10 à 60 jumelles du Soleil devraient naviguer à moins de 300 années-lumière de nous.  
2012   Selon un modèle conçu par Matthieu Gounelle, seule la formation de trois amas d'étoiles successifs explique la composition isotopique du Système solaire.  
   

 

 
   

Dix mille soeurs

 
    L'agencement de son cortège planétaire impose en tout cas des propriétés strictes - certains diront irréalistes - à son lieu de naissance. Si l'on en croit plusieurs simulations numériques, notre étoile n'a pu germer que dans un amas de 1'000 à 10'000 astres, concentrés dans un rayon de 6 à 20 années-lumière de diamètre. Ni plus, ni moins. Un résultat d'autant plus surprenant que, jusque dans les années 1990, le Soleil était censé être né seul au cœur d'un nuage de gaz. On voyait mal comment il aurait pu être affublé d'un cortège de planètes disposées aussi "harmonieusement" s'il était apparu dans un environnement plus chaotique, notamment riche en étoiles. De fait, en passant à proximité, ces dernières n'auraient pas manqué de perturber le délicat ordonnancement du disque protoplanétaire.  
    Mais, en vingt ans, les astronomes ont mis en évidence la présence de nombreux corps célestes au-delà de l'orbite de Neptune, qui forment la ceinture de Kuiper. Ces objets transneptuniens ont des orbites très elliptiques et qui souvent sortent du plan du Système solaire. Sedna, un corps un peu plus petit que Pluton, possède une orbite particulièrement excentrique, qui ne s'explique qu'à la condition qu'une étoile soit passée relativement près du jeune Système solaire et l'ait perturbé. Mais pas trop tout de même, afin de laisser indemne l'orbite des planètes jusqu'à Neptune.  
   

Ce sont les jeunes étoiles bleues des régions de formation stellaire qui donnent tout leur éclat aux bras spiraux des galaxies.
Au cours de leur révolution galactique, les étoiles comme le Soleil les traversent plusieurs fois dans leur existence.

 
    À quelle distance exactement ? Selon les simulations, cette étoile doit avoir "frôlé" la nébuleuse protosolaire à 400 UA, ce qui n'est possible que dans un amas stellaire. Comme par ailleurs le Soleil a dû demeurer plusieurs centaines de millions d'années dans l'amas pour que cette rencontre soit probable, les astronomes ont calculé que l'amas devait compter au moins 1'000 étoiles dans un diamètre de 6 années-lumière (sans quoi ce dernier se serait dispersé avant). À l'inverse, l'effectif de cette pouponnière stellaire n'a pas dû excéder 10'000 membres dispersés sur 20 années-lumière car, au-delà, il aurait perturbé l'orbite des planètes géantes. Le scénario reste plausible, mais l'équation se corse avec l'entrée en scène des cosmochimistes.  
   

Une supernova dans le berceau

 
    Les cosmochimistes, eux, invoquent carrément l'existence dans le berceau du Soleil d'une gigantesque explosion d'étoile, une supernova ! Depuis la fin des années 1970, ils mesurent d'infimes quantités d'éléments radioactifs éteints dans les météorites. Précisément des éléments dont la durée de vie n'excède pas quelques millions d'années. Et qui par conséquent ont été produits, au plus tôt, très peu de temps avant la formation du Système solaire avant d'être incorporés dans la nébuleuse proto solaire. Pour certains chercheurs, comme Mark Giampapa, "ces radioéléments ont vraisemblablement été formés au sein même du Système solaire primitif du fait de l'intense activité magnétique du jeune Soleil". Une hypothèse que Vincent Tatischeff réfute : "au regard de l'énergie nécessaire pour engendrer l'abondance constatée en aluminium 26, le Soleil ne suffit pas." Tout près de son lieu de naissance, notre étoile a dû côtoyer une source d'énergie bien plus importante. La seule, d'ailleurs, capable d'expliquer aussi la trace de fer 60 découverte en 2003 dans certaines météorites : une supernova.  
   

Dans NGC 3603, toutes les étoiles sont nées ensemble, avec des masses et donc des durées de vie différentes.
Le Soleil est-il apparu dans un amas de ce genre, dispersé depuis ?

 
    Mais que disent les chiffres ? Premièrement, que l'amas d'origine du Soleil devait être assez gros pour engendrer une étoile massive - typiquement 25 masses solaires - susceptible de brûler rapidement son carburant en quelques millions d'années et d'exploser en supernova alors que le Système solaire était en formation. Ce qui impose un amas d'au moins 1'000 étoiles. Deuxièmement, que cette supernova a dû exploser près du Soleil, pour ensemencer sa nébuleuse de gaz, mais pas au point de souffler cette dernière. Ainsi les spécialistes s'accordent sur une distance de 40'OOO UA. La précision est telle que "ce scénario semble assez peu vraisemblable", commente Bernard Marty, au Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (Nancy). Selon Fred Adams, il n'a eu de chance raisonnable de se produire qu'à la condition que l'amas d'origine du Soleil compte précisément 4'300 étoiles, une fois toutes les contraintes recensées. Dans le cas contraire, le Système solaire que nous connaissons aurait pu naître… mais avec une probabilité quasi nulle.  
   

À la recherche du bon scénario

 
    Pour se libérer de ces contraintes si étroites, Vincent Tatischeff a proposé en 2009 un scénario radical de naissance du Soleil. Il met en scène une étoile géante éjectée de son amas d'origine à une vitesse de 46'000 km/h, avant d'exploser en supernova. L'onde de choc aurait été d'une puissance suffisante pour que le gaz interstellaire environnant s'effondre sur lui-même et engendre, 300'000 ans plus tard, de nouvelles étoiles enrichies en radioéléments, dont notre Soleil.  
   

M 67, impossible berceau

 
    Ces dernières années, plusieurs chercheurs ont noté l'étonnante ressemblance chimique entre notre étoile et celles qui composent Messier 67, un vieil amas de 1'400 étoiles situé dans le Cancer à 3'000 années-lumière de nous. "Cette ressemblance est plus marquée qu'avec des étoiles situées dans notre voisinage", précise Bengt Gustafsson, de l'université d'Uppsala (Suède). D'où l'idée séduisante que la pouponnière où est née notre étoile avait été identifiée. Barbara Pichardo, de l'université nationale autonome de Mexico, a cependant montré récemment que notre système planétaire n'aurait sans doute pas résisté à la vitesse nécessaire pour éjecter le Soleil du petit amas. D'ailleurs, "l'amas d'origine du Soleil s'est probablement dissous depuis longtemps", explique Simon Portegies Zwart, de l'université de Leyde (Pays-Bas). Selon lui, entre 10 et 60 jumelles du Soleil devraient ainsi naviguer à moins de 300 années-lumière de nous.  
   

Les étoiles de M 67 sont chimiquement comparables au Soleil, mais l'âge de cet amas fait débat : a-t-il 10 milliards d'années, ou seulement 4 ?

 
   

 

 
    Nous avons calculé qu'un tel scénario reproduit correctement l'abondance de différents éléments chimiques, comme l'aluminium 26, le calcium 41, ou le chlore 36H, indique le chercheur. Pour autant n'est-il pas tout aussi improbable que le précédent ? Matthieu Gonnelle, du Muséum national d'histoire naturelle (MNHN), est dubitatif : La vitesse d'échappement de l'étoile est très contraignante, Par ailleurs, ce scénario ne dit rien de l'amas initial et ne présente donc aucune généalogie du Soleil."  
    Pour cet astrophysicien, il est plus simple d'expliquer les abondances relatives de l'aluminium 26 et du fer 60 dans le Système solaire par l'existence de deux générations d'étoiles avant le Soleil. Les étoiles les plus massives de la première génération, apparue dans un amas de 5'000 étoiles, auraient explosé quelques millions d'années après leur naissance en répandant du fer 60 dans le milieu interstellaire. Dix millions d'années plus tard, après la naissance de la première génération, un millier d'autres étoiles seraient nées à leur tour, en partie par l'effet de l'onde de choc des supernovae de la première génération.  
   

Le satellite infrarouge Herschel a découvert de nouvelles pouponnières stellaires, enfouies dans la poussière.
Des étoiles brillent déjà dans les zones bleutées, d'autres se forment dans les filaments rougeâtres.

 
    Parmi ces étoiles nouvelles, une ou deux géantes auraient soufflé un vent diffusant localement de l'aluminium 26. Et par un jeu de mouvements turbulents serait apparue une troisième génération d'étoiles, dont le Soleil. Ce scénario où le fer 60 est engendré par une génération stellaire qui explose bien avant la naissance du Soleil "règle le problème de la proximité entre le Soleil naissant et une explosion d'étoile", souligne Matthieu Gounelle. Par ailleurs, "même si la physique présidant au mélange des différents radioéléments reste à préciser, ce scénario est très générique, insiste le chercheur. Cependant, à l'Institut d'astrophysique de Paris, Nicolas Prantzos s'interroge : "Trois générations d'étoiles, cela semble un peu beaucoup. Cela ne revient-il pas à ajouter des épicycles ?" Autrement dit, remplacer un scénario improbable par un autre qui le serait tout autant ?  
    Jusqu'à nouvel ordre, le Soleil continue à être une singularité galactique. "Du moins, nous ne disposons pas encore d'un scénario convaincant qui, partant de conditions banales, conduise aux propriétés actuelles du Système solaire", tempère Nicolas Prantzos. Cela dit, aucune loi physique n'exige qu'il soit le résultat d'un scénario standard. "Les scientifiques ont tendance à préférer les lois générales, mais ce n'est pas parce qu'une chose est improbable quelle est impossible", note l'astrophysicien. Notre étoile sera-t-elle l'exception qui confirme la règle ?  
Glossaire   Une unité astronomique (UA) est la distance moyenne Terre-Soleil, soit 150 millions de kilomètres. La limite actuelle du Système solaire est estimée à 50'000 UA, soit un peu moins de l'année-lumière.  
       
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