De minuscules grains provenant d’un astéroïde lointain fournissent des indices sur les forces magnétiques qui ont façonné les confins du système solaire il y a plus de 4,6 milliards d’années.
Des chercheurs du MIT et d’autres institutions ont étudié des particules de l’astéroïde Ryugu, collectées par la mission Hayabusa2 de l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale (JAXA) et ramenées sur Terre en 2020. Les scientifiques pensent que Ryugu s’est formé à la périphérie du système solaire primitif avant de migrer vers la ceinture d’astéroïdes, pour finalement s’installer sur une orbite entre la Terre et Mars.
L’équipe a examiné les particules de Ryugu pour détecter des signes d’un champ magnétique ancien qui aurait pu exister lorsque l’astéroïde s’est formé. Leurs résultats indiquent que si un champ magnétique était présent, il aurait été très faible, atteignant tout au plus environ 15 microtesla. (Le champ magnétique terrestre actuel est d’environ 50 microtesla.)
Malgré cela, les chercheurs estiment qu’une intensité de champ aussi faible aurait suffi à rassembler le gaz et la poussière primordiaux pour former les astéroïdes du système solaire externe et potentiellement contribuer à la formation des planètes géantes, de Jupiter à Neptune.
Les résultats de l’équipe, publiés aujourd’hui dans la revue Avancées de l’AGU, montrent pour la première fois que le système solaire externe abritait probablement un faible champ magnétique. Les scientifiques savent qu’un champ magnétique a façonné le système solaire interne, où se sont formées la Terre et les planètes telluriques. Mais jusqu’à présent, il n’était pas clair si une telle influence magnétique s’étendait à des régions plus reculées.
« Nous montrons que, partout où nous regardons maintenant, il existait une sorte de champ magnétique chargé d’amener la masse là où le soleil et les planètes se formaient », explique Benjamin Weiss, professeur Robert R. Shrock de Terre et Sciences planétaires au MIT. « Cela s’applique désormais aux planètes extérieures du système solaire. »
L’auteur principal de l’étude est Elias Mansbach PhD ’24, actuellement postdoctorant à l’Université de Cambridge. Les co-auteurs du MIT incluent Eduardo Lima, Saverio Cambioni et Jodie Ream, ainsi que Michael Sowell et Joseph Kirschvink de Caltech, Roger Fu de l’Université Harvard, Xue-Ning Bai de l’Université Tsinghua, Chisato Anai et Atsuko Kobayashi du Kochi Advanced Marine Core Institute of Research, et Hironori Hidaka de l’Institut de technologie de Tokyo.
Un champ lointain
Il y a environ 4,6 milliards d’années, le système solaire s’est formé à partir d’un nuage dense de gaz et de poussières interstellaires, qui s’est effondré en un disque de matière tourbillonnant. La majeure partie de cette matière gravitait vers le centre du disque pour former le soleil. Les morceaux restants formaient une nébuleuse solaire de gaz ionisé tourbillonnant. Les scientifiques soupçonnent que les interactions entre le soleil nouvellement formé et le disque ionisé ont généré un champ magnétique qui traversait la nébuleuse, contribuant à stimuler l’accrétion et à attirer la matière vers l’intérieur pour former les planètes, les astéroïdes et les lunes.
« Ce champ nébulaire a disparu environ 3 à 4 millions d’années après la formation du système solaire, et nous sommes fascinés par la façon dont il a joué un rôle dans la formation précoce des planètes », explique Mansbach.
Les scientifiques avaient précédemment déterminé qu’un champ magnétique était présent dans tout le système solaire interne, une région qui s’étendait du Soleil à environ 7 unités astronomiques (UA), jusqu’à l’endroit où se trouve Jupiter aujourd’hui. (Une UA est la distance entre le Soleil et la Terre.) L’intensité de ce champ nébulaire interne se situait entre 50 et 200 microtesla et a probablement influencé la formation des planètes terrestres internes. De telles estimations du champ magnétique primitif sont basées sur des météorites qui ont atterri sur Terre et dont on pense qu’elles proviennent de la nébuleuse interne.
« Mais jusqu’où s’étend ce champ magnétique et quel rôle il a joué dans les régions plus distales est encore incertain car il n’y a pas eu beaucoup d’échantillons qui pourraient nous renseigner sur le système solaire externe », explique Mansbach.
Rembobinage de la bande
L’équipe a eu l’occasion d’analyser des échantillons du système solaire externe avec Ryugu, un astéroïde qui se serait formé au début du système solaire externe, au-delà de 7 UA, et qui aurait finalement été mis en orbite près de la Terre. En décembre 2020, la mission Hayabusa2 de la JAXA a renvoyé des échantillons de l’astéroïde sur Terre, donnant aux scientifiques un premier aperçu d’une relique potentielle du premier système solaire distal.
Les chercheurs ont acquis plusieurs grains des échantillons renvoyés, chacun mesurant environ un millimètre. Ils ont placé les particules dans un magnétomètre – un instrument du laboratoire de Weiss qui mesure la force et la direction de la magnétisation d’un échantillon. Ils ont ensuite appliqué un champ magnétique alternatif pour démagnétiser progressivement chaque échantillon.
« Comme un magnétophone, nous rembobinons lentement l’enregistrement magnétique de l’échantillon », explique Mansbach. « Nous recherchons ensuite des tendances cohérentes qui nous indiquent si elle s’est formée dans un champ magnétique. »
Ils ont déterminé que les échantillons ne contenaient aucun signe clair d’un champ magnétique préservé. Cela suggère que soit il n’y avait pas de champ nébulaire présent dans le système solaire externe où l’astéroïde s’est formé pour la première fois, soit que le champ était si faible qu’il n’a pas été enregistré dans les grains de l’astéroïde. Si tel est le cas, l’équipe estime qu’un champ aussi faible n’aurait pas une intensité supérieure à 15 microtesla.
Les chercheurs ont également réexaminé les données de météorites précédemment étudiées. Ils ont spécifiquement examiné les « chondrites carbonées non regroupées » – des météorites qui ont des propriétés caractéristiques d’une formation dans le système solaire distal. Les scientifiques avaient estimé que les échantillons n’étaient pas assez vieux pour s’être formés avant la disparition de la nébuleuse solaire. Tout enregistrement de champ magnétique contenu dans les échantillons ne refléterait donc pas le champ nébulaire. Mais Mansbach et ses collègues ont décidé d’y regarder de plus près.
« Nous avons réanalysé l’âge de ces échantillons et avons découvert qu’ils étaient plus proches du début du système solaire qu’on ne le pensait auparavant », explique Mansbach. « Nous pensons que ces échantillons se sont formés dans cette région externe distale. Et l’un de ces échantillons présente effectivement une détection de champ positif d’environ 5 microtesla, ce qui correspond à une limite supérieure de 15 microtesla.
Cet échantillon mis à jour, combiné aux nouvelles particules Ryugu, suggère que le système solaire externe, au-delà de 7 UA, abritait un champ magnétique très faible, mais suffisamment puissant pour attirer la matière de la périphérie pour finalement former les corps planétaires externes, de Jupiter à Neptune.
« Lorsque vous êtes plus éloigné du soleil, un faible champ magnétique est très utile », note Weiss. « Il a été prédit qu’il n’était pas nécessaire que ce soit aussi fort là-bas, et c’est ce que nous constatons. »
L’équipe prévoit de rechercher davantage de preuves de champs nébulaires distaux avec des échantillons provenant d’un autre astéroïde lointain, Bennu, qui ont été livrés sur Terre en septembre 2023 par le vaisseau spatial OSIRIS-REx de la NASA.
« Bennu ressemble beaucoup à Ryugu et nous attendons avec impatience les premiers résultats de ces échantillons », explique Mansbach.
Cette recherche a été financée en partie par la NASA.
