Demandez à Ethan : comment savons-nous l’âge du système solaire ?

Il y a des milliards d’années, dans un coin oublié de la Voie lactée, un nuage moléculaire comme beaucoup d’autres s’est effondré pour former de nouvelles étoiles. L’une d’elles s’est formée dans un isolement relatif, recueillant de la matière dans un disque protoplanétaire autour d’elle, et formant finalement notre Soleil, les huit planètes et le reste de notre système solaire. Aujourd’hui, les scientifiques affirment que le système solaire a 4,6 milliards d’années, à quelques millions d’années près. Mais comment le savons-nous ? Et est-ce que, par exemple, la Terre et le Soleil ont le même âge ? C’est ce que notre supporter Patreon, Denier, veut savoir pour le Ask Ethan de cette semaine :

Comment savons-nous l’âge de notre système solaire ? Je maîtrise vaguement le concept de datation du temps écoulé depuis qu’une roche est liquide, mais 4,5 Milliards d’années, c’est à peu près le temps écoulé depuis que Théia a frappé la proto-Terre en liquéfiant une quantité massive de tout. Comment savoir si nous datons réellement le système solaire et si nous ne trouvons pas simplement des dizaines de façons de dater la collision avec Théia ?

C’est une grande question nuancée, mais la science est à la hauteur du défi. Voici l’histoire.

Nous en savons assez long sur l’histoire de notre système solaire et sur la façon dont il a vu le jour. Nous avons appris tant de choses en observant la formation d’autres étoiles, en examinant les régions de formation d’étoiles lointaines, en mesurant les disques protoplanétaires, en observant les étoiles passer par différentes étapes de leur cycle de vie, etc. Mais la façon dont chaque système évolue est unique, et ici, dans notre propre système solaire, des milliards d’années après la formation du Soleil et des planètes, il ne nous reste que les survivants.

Initialement, toutes les étoiles se forment à partir d’une nébuleuse pré-solaire qui attire la matière, avec une grande région extérieure qui reste froide, où se rassemblent des silicates amorphes, des composés à base de carbone et des glaces. Une fois que la nébuleuse pré-solaire forme une proto-étoile, puis une étoile à part entière, cette matière extérieure arrive et commence à former des amas plus grands.

Au fil du temps, ces amas grandissent et tombent dans, où ils interagissent, fusionnent, migrent et s’éjectent potentiellement les uns les autres. Sur une période allant de centaines de milliers à des millions d’années, une fois que vous avez une étoile, les planètes finissent par se former ; c’est rapide à l’échelle cosmique. Bien qu’il y ait probablement eu de nombreux objets intermédiaires, au moment où quelques millions d’années se sont écoulées, le système solaire ressemblait assez à ce que nous avons aujourd’hui.

Mais il peut y avoir eu quelques différences importantes. Il y avait peut-être une cinquième géante gazeuse ; les quatre géantes gazeuses que nous avons étaient peut-être beaucoup plus proches du Soleil, ayant migré vers l’extérieur ; et peut-être le plus important, entre Vénus et Mars, il y avait probablement non pas un mais deux mondes : une proto-Terre et un monde plus petit, de la taille de Mars, nommé Théia. Beaucoup plus tard, peut-être des dizaines de millions d’années après la formation des autres planètes, la Terre et Théia sont entrées en collision.

C’est cette collision que l’on soupçonne avoir créé la Lune : on appelle cet événement l’hypothèse de l’impact géant. La similitude des roches lunaires, récupérées par la mission Apollo, avec la composition de la Terre, nous a amenés à soupçonner que la Lune s’est formée à partir de la Terre. Les autres planètes rocheuses, qui manquent de façon suspecte de grosses Lunes, n’ont probablement pas eu un impact aussi important dans leur histoire passée.

Les mondes géants gazeux, ayant beaucoup plus de masse que les autres, ont pu conserver l’hydrogène et l’hélium (les éléments les plus légers) qui existaient lors de la formation du Système solaire ; les autres mondes ont vu l’écrasante majorité de ces éléments soufflés. Avec trop d’énergie provenant du Soleil et pas assez de gravité pour retenir ces éléments légers, le système solaire a commencé à prendre la forme que nous lui connaissons aujourd’hui.

Mais des milliards d’années ont maintenant passé. Comment savons-nous quel est l’âge du système solaire ? La Terre a-t-elle le même âge que les autres planètes ; avons-nous un moyen de faire la différence ? Et comment quel est le chiffre ultime de cet âge ?

La réponse la plus précise, de manière peut-être surprenante, vient de la géophysique. Et cela ne signifie pas nécessairement « la physique de la Terre », mais plutôt la physique de toutes sortes de roches, de minéraux et de corps solides. Tous les objets de ce type contiennent une variété d’éléments présents dans le tableau périodique, avec des densités/compositions différentes correspondant à l’endroit du système solaire, radialement à l’extérieur du Soleil, où ils se sont formés.

Cela implique que les différentes planètes, astéroïdes, lunes, objets de la ceinture de Kuiper, etc. soient préférentiellement constitués de différents éléments. Les éléments les plus lourds du tableau périodique, par exemple, devraient se trouver préférentiellement dans Mercure par rapport à, disons, Cérès, qui lui-même devrait être plus enrichi que, disons, Pluton. Mais ce qui devrait être universel, du moins on pourrait le penser, devrait être les ratios des différents isotopes des mêmes éléments.

Lorsque le système solaire se forme, il devrait avoir, par exemple, un ratio spécifique de carbone-12 par rapport au carbone-13 et au carbone-14. Le carbone-14 a une demi-vie cosmiquement courte (de quelques milliers d’années), donc le carbone-14 primordial devrait avoir disparu. Mais le carbone-12 et le carbone-13 sont tous deux stables, ce qui signifie que partout où nous trouvons du carbone dans le système solaire, ils devraient avoir les mêmes rapports isotopiques. Cela vaut pour tous les éléments et isotopes stables et instables dans le système solaire.

Parce que le Système solaire est âgé de milliards d’années, nous pouvons nous tourner vers les éléments dont les isotopes ont des demi-vies qui se chiffrent en milliards d’années. Au fil du temps, c’est-à-dire au fur et à mesure que le système solaire vieillit, ces isotopes vont se désintégrer de manière radioactive, et en examinant les rapports entre les produits de désintégration et la matière initiale restante, nous pouvons déterminer le temps écoulé depuis la formation de ces objets. À cette fin, les éléments les plus fiables sont l’uranium et le thorium. Dans le cas de l’uranium, ses deux principaux isotopes naturels, l’U-238 et l’U-235, ont des produits de désintégration et des taux de désintégration différents, mais tous deux se situent dans les milliards d’années. Pour le thorium, le Th-232 radioactif est le plus utile.

Ce qui est le plus remarquable, cependant, c’est que la meilleure preuve de l’âge de la Terre et du système solaire ne provient pas de la Terre elle-même !

Nous avons eu des dizaines de météorites qui ont atterri sur Terre avec leurs abondances isotopiques, élémentaires, mesurées et analysées. La clé est de regarder le plomb élémentaire : le rapport entre Pb-207 et Pb-206 change avec le temps en raison des désintégrations de l’U-235 (qui conduit au Pb-207) et de l’U-238 (qui conduit au Pb-206). En traitant la Terre et les météorites comme faisant partie du même système évolutif – avec l’hypothèse qu’il y a les mêmes rapports isotopiques initiaux – nous pouvons alors regarder les plus anciens minerais de plomb trouvés sur Terre pour calculer l’âge de la Terre, des météorites et du système solaire.

C’est une assez bonne estimation, et nous donne un chiffre de 4,54 milliards d’années. C’est bon à plus de 1% près, mais cela reste une incertitude de quelques dizaines de millions d’années.

Mais on peut faire mieux que de tout agréger ensemble ! Bien sûr, cela donne une excellente estimation globale, mais nous pensons que, disons, la Terre et la Lune sont un peu plus jeunes que les météorites.

• Nous pouvons regarder les météorites les plus anciennes, ou celles qui présentent les rapports de plomb les plus extrêmes, pour essayer d’estimer l’âge du système solaire : nous obtenons un chiffre d’environ 4,568 milliards d’années si nous faisons cela.
• Nous pouvons regarder les roches de la Lune, qui n’ont pas subi le traitement géologique que les roches terrestres ont subi. Elles datent d’un âge de 4,51 milliards d’années.

Et enfin, nous devons faire un contrôle de bon sens. Tout cela reposait sur l’hypothèse que le rapport entre l’U-238 et l’U-235 était le même partout dans le système solaire. Mais de nouvelles preuves au cours des 10 dernières années ont montré que c’est probablement faux.

Il existe des endroits où l’U-235 est enrichi jusqu’à 6 % par rapport à la valeur typique. Selon Gregory Brennecka,

Depuis les années 1950, ou même avant, personne n’avait été capable de détecter des différences . Maintenant, nous sommes capables de mesurer de légères différences. Ça a été un peu un point noir pour quelques personnes en géochronologie. Pour vraiment dire que nous connaissons l’âge du système solaire en fonction de l’âge de la roche, il est essentiel qu’ils soient tous d’accord.

Mais il y a deux ans, une résolution a été découverte : il y a un autre élément qui joue un rôle. Le curium, un élément plus lourd et dont la demi-vie est plus courte que celle du plutonium, se désintègre par radioactivité en U-235, ce qui explique excellemment les variations. Les incertitudes qui subsistent ne sont que de quelques millions d’années tout au plus.

Donc, globalement, nous pouvons dire que la matière solide la plus ancienne que nous connaissons dans le système solaire a 4,568 milliards d’années, avec une incertitude de peut-être seulement 1 million d’années. La Terre et la Lune sont peut-être plus jeunes de 60 millions d’années, ayant atteint leur forme finale un peu plus tard. De plus, nous ne pouvons pas l’apprendre en regardant la Terre elle-même ; les roches qui restent ici sont toutes plus anciennes que cela.

Mais le Soleil, de manière peut-être surprenante, pourrait être un peu plus vieux, puisque sa formation devrait être antérieure aux objets solides qui constituent les autres composants du système solaire. Le Soleil pourrait être plus vieux de plusieurs dizaines de millions d’années que les roches les plus anciennes du système solaire, approchant peut-être les 4,6 milliards d’années. La clé, quoi qu’il en soit, est de chercher la réponse de manière extra-terrestre. Ironiquement, c’est le seul moyen de connaître avec précision l’âge de notre propre planète !

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