Il y a environ 4.5 milliards d’années, le Soleil et ses huit planètes se formaient pour aboutir au Système solaire que l’on connaît. Bien qu’aujourd’hui ce système semble particulièrement stable, cela ne durera pas éternellement. Une fin chaotique attend le Système solaire une fois que le Soleil aura épuisé la totalité de son énergie. Si tous les astrophysiciens s’accordent sur ce destin, tous ne sont toutefois pas d’accord sur le temps que cela devrait prendre. À la fin des années 1999, les scientifiques ont prédit que la disparition totale du Système solaire devrait prendre au moins un milliard de milliards d’années. Mais des simulations récentes ont considérablement réduit cette durée, puisque l’équipe qui en est à l’origine a déterminé qu’il ne faudrait que 100 milliards d’années pour une disparition complète.
Selon de nouvelles simulations, il ne faudra que 100 milliards d’années à toutes les planètes restantes pour disparaître de la galaxie, laissant le Soleil mourant derrière elles. Les astrophysiciens tentent de comprendre le sort ultime du Système solaire depuis au moins des centaines d’années. « Comprendre la stabilité dynamique à long terme du Système solaire constitue l’une des plus anciennes activités d’astrophysique, remontant à Newton lui-même, qui a émis l’hypothèse que les interactions mutuelles entre les planètes finiraient par rendre le système instable », écrivent les chercheurs
Mais c’est beaucoup plus délicat qu’il n’y paraît. Plus le nombre de corps impliqués dans un système dynamique, interagissant les uns avec les autres, est grand, plus ce système se complique et plus il est difficile à prévoir. C’est ce qu’on appelle le problème à N-corps. En raison de cette complexité, il est impossible de faire des prédictions déterministes sur les orbites des objets du Système solaire au-delà de certaines échelles de temps. Au-delà d’environ 5 à 10 millions d’années, la certitude s’efface.
Des paramètres perturbateurs supplémentaires à prendre en compte
Mais, si nous pouvons comprendre ce qui va arriver à notre système solaire, cela pourra nous renseigner sur la façon dont l’Univers pourrait évoluer, sur des échelles de temps bien plus longues que son âge actuel de 13,8 milliards d’années. En 1999, les astronomes ont prédit que le Système solaire s’effondrerait lentement sur une période d’au moins un milliard de milliards d’années. C’est le temps qu’il faudrait pour que les résonances orbitales de Jupiter et de Saturne découplent Uranus.
Selon l’équipe, cependant, ce calcul a laissé de côté certaines influences importantes qui pourraient perturber le Système solaire plus tôt que prévu. Premièrement, il y a le Soleil lui-même. Dans environ 5 milliards d’années, à mesure qu’il mourra, le Soleil se transformera en une géante rouge, engloutissant Mercure, Vénus et la Terre. Ensuite, il éjectera près de la moitié de sa masse, emportée dans l’espace par des vents stellaires. La naine blanche restante ne représentera qu’environ 54% de la masse solaire actuelle.
Cette perte de masse relâchera l’emprise gravitationnelle du Soleil sur les planètes restantes, Mars et les géantes gazeuses Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Deuxièmement, alors que le Système solaire orbite autour du centre galactique, d’autres étoiles devraient se rapprocher suffisamment pour perturber les orbites des planètes, environ une fois tous les 23 millions d’années.
« En tenant compte de la perte de masse stellaire et de l’inflation des orbites des planètes extérieures, ces rencontres deviendront plus influentes. Avec suffisamment de temps, certaines de ces trajectoires se rapprochent suffisamment pour dissocier — ou déstabiliser — les planètes restantes », expliquent les auteurs.
100 milliards d’années pour que le Système solaire disparaisse
Avec ces influences supplémentaires prises en compte dans leurs calculs, l’équipe a effectué 10 simulations à N corps pour les planètes extérieures (en excluant Mars pour économiser sur les coûts de calcul, car son influence devrait être négligeable), en utilisant le puissant supercalculateur Shared Hoffman2. Ces simulations ont été divisées en deux phases : jusqu’à la fin de la perte de masse du Soleil et la phase qui suit.
Bien que 10 simulations ne constituent pas un échantillon statistique solide, l’équipe a constaté qu’un scénario similaire se jouait à chaque fois. Une fois que le Soleil a terminé son évolution en naine blanche, les planètes extérieures ont une orbite plus grande, mais restent relativement stables. Jupiter et Saturne, cependant, sont capturés dans une résonance stable 5 : 2 — pour chaque cinq fois que Jupiter orbite autour du Soleil, Saturne orbite deux fois (cette résonance éventuelle a été proposée à plusieurs reprises, notamment par Isaac Newton lui-même).
Ces orbites élargies, ainsi que les caractéristiques de la résonance planétaire, rendent le système plus sensible aux perturbations dues au passage des étoiles. Après 30 milliards d’années, de telles perturbations stellaires transforment ces orbites stables en orbites chaotiques, entraînant une fuite rapide des planètes. Toutes les planètes sauf une échappent à leurs orbites, s’enfuyant dans la galaxie en tant que planètes errantes.
Cette dernière planète solitaire reste encore 50 milliards d’années, mais son destin est scellé. Finalement, elle aussi est perturbée par l’influence gravitationnelle des étoiles qui passent. En fin de compte, 100 milliards d’années après que le Soleil se soit transformé en naine blanche, le Système solaire n’existe plus. C’est un délai beaucoup plus court que l’estimation proposée en 1999. Et cela dépend des observations actuelles de l’environnement galactique local et des estimations de survol stellaire, qui peuvent tous deux changer.
Une galaxie est une grande structure cosmique composée d'un
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