Pourquoi les planètes et les satellites du système solaire sont-ils si différents s'ils proviennent plus ou moins de la même matière?

Tout d'abord, les planètes. Nous avons Mercure, qui est rocheux, sans atmosphère. Mais ensuite nous avons Vénus, qui est complètement différente: atmosphère épaisse, très chaude, géologiquement active. Puis la Terre - bleue, pleine d'eau. Mars, l'inverse: rouge comme rien d'autre. Jupiter et Saturne sont assez similaires. Puis Uranus et Neptune, assez similaires mais toujours de couleurs différentes entre elles et également de couleurs totalement différentes de celles des deux géantes gazeuses.

D'un autre côté: les satellites. Analysons les satellites de Jupiter et de Saturne.

Ganymède et Callisto assez similaires, mais ensuite l'Europe, totalement opposée: complètement glacée. Et puis Io, encore une fois quelque chose de complètement différent: étonnamment jaune.

Les lunes de Saturne: principalement rocheuses, mais ensuite quelque chose de complètement différent: Titan, avec une atmosphère épaisse comme aucun autre satellite et des océans de méthane liquide.

Si, pendant la formation du système solaire, il y avait un disque protoplanétaire de matière, ne serait-il pas assez homogène et donnerait-il donc naissance à des planètes de même apparence? Je comprends que les géantes gazeuses ne peuvent pas ressembler aux planètes rocheuses, mais pourquoi y a-t-il des différences même entre des planètes rocheuses de taille similaire? Certes, il y a des températures très différentes dans tout le système solaire, en fonction de la distance du Soleil, ce qui explique probablement certaines des différences.

Mais ce que je ne comprends surtout pas, ce sont les différences entre les satellites. Si disons que Jupiter avait un disque de matière en orbite, qui s'est finalement transformé en satellites, au moins ce disque "local" autour d'une planète ne serait-il pas assez homogène? Mais néanmoins, il s'est développé en satellites extrêmement différents. Par exemple, comment la chose "jaunâtre" s'est-elle concentrée sur Io, et non répartie également sur toutes les lunes de Jupiter?

Ces questions peuvent être divisées en deux; pour les planètes et les satellites.

La diversité des planètes reflète en partie la diversité en termes de composition chimique du disque protoplanétaire. Nous savons que le rayonnement UV du soleil peut dissocier des molécules complexes ou même très simples; par exemple, lorsque les rayons UV divisent les molécules d'eau, il en résulte des atomes d'hydrogène et d'oxigène libres. Étant donné que l'hydrogène est extrêmement léger, ils peuvent être transportés facilement sur le flux de vents stellaires. Donc, l'eau, pour garder cet exemple, si elle était proche du soleil pouvait être dissociée et épuisée de la région du disque, mais au-dessus de la soi-disant "ligne de neige"Le rayonnement UV du soleil était si faible que cela ne pouvait pas arriver aussi souvent et donc les molécules d'eau (qui sont très lourdes par rapport aux atomes d'hydrogène simples) y sont restées. Cela n'explique que la dichotomie entre les planètes intérieures et extérieures en termes de teneur en eau, et même alors, certains processus (comme le bombardement lourd tardif ) pourraient ajouter de l'eau à l'intérieur (comme cela s'est produit sur Terre). Mais ce raisonnement ne concerne pas seulement l'eau, le dioxyde de carbone, l'ammoniac, le méthane et des centaines de molécules différentes ont leurs propres "lignes de gel". Plus près du soleil, le carbone ne peut pas être du méthane est un gaz volatil qui est rapidement poussé vers l'extérieur, mais à certains dixièmes d'AU, le méthane peut rester dans des conditions stables et peut même se condenser en gouttelettes liquides.

Tout cela pour dire que le disque protoplanétaire n'était PAS homogène en termes de composition chimique, et n'était pas homogène en termes de densité ou de pression. Le gradient termal et chimique à travers la nébuleuse assure une certaine diversité et complexité pour l'ensemble du système planétaire.

Ici, vous avez un bon diagramme montrant comment différents composés chimiques peuvent se condenser à différentes températures et pressions sur le disque protoplanétaire.

De plus, l'accrétion des planétésimaux est plus énergique plus près du Soleil (ce qui signifie que les ruptures peuvent se produire plus fréquemment et qu'il est difficile pour une planète de grandir), tandis que dans les régions extérieures, les planètes peuvent augmenter en masse avec régularité puisque les collisions avec d'autres planétésimaux sont effectuées à des vitesses relatives plus faibles (en raison de la différence entre deux orbites similaires dans les périodes qui s'agrandit lorsque vous vous rapprochez du Soleil et donc des vitesses relatives plus grandes). Ceci avec les interactions gravitationnelles des protoplanètes et du disque primitif (voir migration planétaire et joli modèleetc ...) permettent des taux d'accrétion différents et l'accrétion de matériaux de composition différente de ce qui a été trouvé dans le lieu d'origine de formation d'un planétésimal particulier. Cela permet également de conserver une grande variété de masses planétaires.

Une grande variété de masses planétaires est le point de départ d'une plus grande variation à mesure que les planètes évoluent dans le temps et s'écartent de leurs conditions initiales. Une petite planète rocheuse (Mercure) pourrait avoir moins de chaleur piégée à l'intérieur qu'une plus grande (Terre), en raison de la plus petite énergie libérée par des taux d'accrétion plus petits. Ainsi, il pourrait refroidir rapidement et une magnétosphère due à un intérieur fondu ne peut pas se produire. L'absence d'une magnétosphère permet aux particules chargées par le vent solaire d'éroder votre atmosphère par pulvérisation. Au lieu de cela, sur une planète comme la Terre, la plus grande masse a conduit à un intérieur fondu qui à son tour a généré une magnétosphère qui a duré des milliards d'années, en Mars, elle a duré un certain temps, mais a maintenant presque disparu, de sorte que l'atmosphère a également été presque détruite. Sur Terre, la pression d'une atmosphère a conduit à toutes sortes d'érosions chimiques et de phénomènes. De plus, son intérieur fondu associé aux spécificités de sa composition chimique et de l'épaisseur de la croûte permettent un mécanisme appelé tectonique des plaques. La tectonique ne peut pas se produire sur Vénus car la croûte n'est pas aussi épaisse (en raison de la composition différente) et donc elle ne se brise pas en plaques mais se déforme et se plie simplement dans un comportement complexe qui est unique à Vénus.

De même, les collisions avec les planétaires-différentiels peuvent modifier l'évolution future de planètes similaires. Vénus était probablement très similaire à la Terre (masse similaire, composition très similaire et températures pas si différentes qu'on pourrait le penser) mais leurs chemins ont complètement divergé car la tectonique sur Terre a recyclé la lithosphère et sur Vénus, le dioxyde de carbone s'est davantage piégé dans un effet de serre, et parce que la Terre a eu une collision avec une autre planète qui a notre Lune, qui est un stabilisateur mécanique tandis qu'une collision aléatoire avec Vénus (avec différents paramètres d'impact) a conduit à une rotation extrêmement lente et à de longs jours (mais pas de lunes). Des jours plus longs signifient une isolation différente, et cela change radicalement le climat d'une planète. Les jours sur Mars sont similaires à ceux de la Terre, mais comme elle est plus petite et que l'atmosphère a disparu, beaucoup de choses sont très différentes de la Terre. Aussi,

Pour voir à quel point l'évolution de deux objets planétaires peut être différente simplement en leur faisant une masse différente, regardez notre Lune. Il a la même composition chimique (c'est un morceau de la Terre en fait), il est fondamentalement à la même distance du Soleil que la Terre, il vit dans le même environnement interplanétaire (même rayonnement solaire, vent solaire, taux d'impact etc.) .), et pourtant c'est complètement différent. Tout cela est dû à la masse! La lune ne peut pas conserver une grande atmosphère comme la Terre car elle a moins d'attraction gravitationnelle. La même température pour notre atmosphère signifie que les particules atteignent facilement la vitesse de fuite et commencent à s'échapper de la gravité. Sans atmosphère, sans chaleur interne, la lune manque presque de tout type d'érosion au cours de milliards d'années d'évolution. Les processus d'érosion sur Terre ont fait exploser la diversité des formations géologiques par rapport à celles trouvées sur la Lune. Même alors, la lune a ses propres particularités et caractéristiques dynamiques qui lui sont propres.

Nous nous rapprochons maintenant de la question des satellites. En fait, ils devraient avoir la même apparence, car ils sont formés de matériaux très très similaires dans des conditions extrêmement similaires. Et en effet, nous pensons que les lunes étaient à l'origine très similaires (par exemple les 4 lunes galiléennes). Mais Io est de se rapprocher de Jupiter et les autres lunes interagissent avec lui de telle manière que les processus géologiques sont complètement différents. L'eau et les substances volatiles se sont évaporées rapidement en se réchauffant sous l'effet des forces de marée de Jupiter. Ces forces de marée n'étaient pas aussi fortes en Europe car elles sont plus éloignées, donc elles n'ont fait fondre qu'une partie de la créature de la croûte glacée, un analogue de glace de la tectonique des plaques qui a généré une plétore de formations diverses. Les satellites évoluent. Encelade tire des jets en raison des interactions de marée et des résonances orbitales avec d'autres lunes. Certaines lunes comme Japeto ont une surface bicolore en raison du matériau pulvérisé par enceladus atterrissant sur l'un de ses côtés. Certaines lunes comme Triton n'ont rien à voir avec l'autre car elles se sont formées dans une autre région du système solaire et ont ensuite été piégées par l'attraction gravitationnelle d'une planète (Neptune dans ce cas).

Comme je l'ai mentionné auparavant. Les atmosphères (densité, composition et pression) dépendent largement de la masse de la planète ou de la lune. Regardez ce graphique:

Il montre la vitesse des molécules de gaz par rapport à la température du gaz. Pour des températures plus élevées, les molécules de gaz se déplacent plus rapidement. Sur une planète de faible masse, la vitesse de fuite est inférieure à celle d'une masse plus importante. Ainsi, une planète plus proche du soleil (à une température plus élevée) doit être plus grande si elle veut conserver les mêmes molécules de gaz dans son atmosphère qu'une planète plus éloignée (plus froide). Vous pouvez voir pourquoi l'atmosphère terrestre peut piéger et retenir l'eau, l'oxigène, le dioxyde de carbone, l'ammoniac, l'azote méthane et d'autres gaz alors qu'elle est incapable de piéger l'hydrogène et l'hélium (car ils sont plus légers et donc à la même température, ils peuvent se déplacer aussi rapidement que nécessaire pour échapper à la Terre). Pendant ce temps, la Lune, qui a la même chaleur provenant du Soleil que la Terre, car elle est moins massive qu'elle ne peut retenir presque aucun gaz (meybe un peu de xénon). Titan, est une énorme lune, il peut donc retenir de nombreuses molécules de gaz comme l'azote et l'oxygène (celles-ci à leur tour exercent une pression élevée pour conserver également des substances volatiles comme le méthane sous forme liquide à la surface). Mais pourquoi Ganymède n'a-t-il pas la même atmosphère que Titan s'ils sont fondamentalement de la même taille? Parce que Ganymède est plus proche du Soleil, une température plus élevée signifie que les molécules se déplacent plus rapidement et échappent ainsi facilement à son attraction.

Comme vous pouvez le voir, les processus complexes des atmosphères d'une lune ou d'une planète changent tout (érosion, processus de recyclage, corrosion chimique, etc ...) et à son tour cette diversité dans les atmosphères vient d'une diversité de masses et de distances au Soleil.

Je pense que le système solaire est un système chaotique, dynamiquement, géologiquement, chimiquement etc ... Le chaos signifie que pour une petite différence dans les conditions initiales, le système évoluera dans des états différents et exponentiellement divergents. Les planètes et les lunes ont peut-être commencé comme des objets similaires, mais l'histoire et la dynamique chaotique du système ont évolué dans des environnements complètement différents. Non seulement cela, mais la vérité est que les planètes n'ont pas commencé comme des égales mais étaient très différentes du début, alors imaginez à quelle distance est Vénus pour devenir un Titan, ou un Io pour devenir une Terre.

Il existe également des processus et des conditions particulièrement adaptés à la divergence. Par exemple: la Terre est très dynamique alors que Mars, Vénus, Mercure, la Lune et d'autres ne le sont pas du tout. Pourquoi? parce que sur Terre, l'eau peut exister dans 3 états différents de la matière. Nous pouvons trouver de l'eau liquide, de la vapeur d'eau et de la glace dans différentes régions et saisons. Et c'est parce que la Terre est à une température moyenne et que l'atmosphère a juste la bonne pression pour permettre cela. Les conditions de la Terre sont très proches du point triple de l'eau (où les trois états de la matière cohexistent), c'est pourquoi nous avons un cycle de l'eau sur Terre, avec des rivières et des glaciers érodant le paysage et des nuages ​​régulant le climat.

Mars, Vénus, Mercure, ont tous des températures et des pressions où cela ne peut pas se produire, non seulement sur l'eau mais sur de nombreux composés qui y sont présents. Vous savez où cela peut arriver? Sur Pluton! C'était très surprenant, Pluton montre une variété de terrains et de caractéristiques géologiques qui ont dépassé toutes les attentes. Maintenant, nous savons que c'est parce que Pluton est extrêmement dynamique (comme la Terre) et que beaucoup d'érosion et de processus géochimiques peuvent se produire, mais ce n'est pas à cause de l'eau (puisque Pluton a une basse pression et des températures basses), mais à cause de l'azote et Néon! Les deux élémets ont leur triple point à l'intérieur de la gamme de conditions de Pluton et donc des rivières au néon, des glaciers d'azote et des brouillards sont attendus sur cette planète naine.

C'est en effet une question intéressante. Combien incroyables sont les lois de la nature qui permettent une extrême variété même entre frères. Je me demande comment une planète autour d'une autre étoile pourrait être, nos catégories simplistes de jupiters chauds, de mini-neptunes, de super-terrasses, etc. sont tellement primitives et restrictives. Les merveilles qui nous attendent dans ce cosmos complexe et diversifié dépassent notre compréhension.