Formation planétaire : de la Terre aux exoplanète – Alessandro Morbidelli

Alessandro Morbidelli

Chaire Formation planétaire : de la Terre aux exoplanètes

Collège de France

Année 2026-2027

La formation des planètes telluriques

03 - Chronologie de la formation des planètes telluriques

Résumé

Nous présenterons le chronomètre radioactif Hf-W, utilisé pour dater la différenciation des corps planétaires, et l'appliquerons à Mars et à la Terre, ce qui met en évidence des temps d'accrétion radicalement différents. Cependant, l'histoire complexe de l'accrétion terrestre, marquée notamment par le rôle des impacts géants, rend l'interprétation de ce chronomètre délicate. L'utilisation d'un second chronomètre, le système U-Pb, permet d'apporter des contraintes complémentaires. La datation de la Lune est particulièrement importante pour contraindre la fin de la formation de la Terre. Alors que le chronomètre Sm-Nd semble indiquer une formation de la Lune environ 200 millions d'années après le début du Système solaire, d'autres chronomètres, comme Lu-Hf ou Rb-Sr, suggèrent une formation beaucoup plus ancienne, environ 50 millions d'années après ses débuts. Nous verrons comment cette discordance peut potentiellement être expliquée.

Alessandro Morbidelli

Chaire Formation planétaire : de la Terre aux exoplanètes

Collège de France

Année 2026-2027

La formation des planètes telluriques

02 - La Lune et sa formation

Résumé

Les principales caractéristiques qui distinguent la Lune de la Terre sont (i) un noyau plus petit, (ii) un déficit plus marqué en éléments volatils et (iii) des anomalies isotopiques identiques. Après avoir passé en revue les modèles historiques de formation de la Lune, nous verrons pourquoi le modèle de l'impact géant s'est imposé dans la communauté scientifique. Cependant, l'identité isotopique entre la Terre et la Lune reste difficile à expliquer. Nous examinerons donc les différentes variantes du modèle d'impact proposées pour la comprendre, ainsi qu'un modèle fondé sur une équilibration isotopique entre la Terre et le disque protolunaire. L'existence de la Lune montre enfin que la formation de la Terre ne s'est pas limitée à l'accrétion de petits corps, mais a également impliqué de grands impacts, avec des conséquences profondes pour sa différenciation noyau-manteau.

Alessandro Morbidelli

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Collège de France

Année 2026-2027

La formation des planètes telluriques

01 - Les planètes telluriques : caractéristiques orbitales, physiques et compositionnelles

Résumé

Nous commencerons par présenter l'évolution orbitale des planètes telluriques, qui est chaotique, mais dont la probabilité de conduire à une instabilité macroscopique au cours de la durée de vie du Soleil reste faible. Nous aborderons ensuite leurs propriétés physiques, notamment la taille de leurs noyaux métalliques, très variable de Mercure à la Lune, ainsi que leurs propriétés chimiques. Nous nous intéresserons en particulier au degré d'oxydation des différentes planètes et au déficit du manteau terrestre en éléments volatils et sidérophiles. Nous discuterons également de la place des planètes telluriques dans le contexte de la dichotomie isotopique du Système solaire. Enfin, nous examinerons les différents scénarios proposés pour l'origine de l'eau terrestre.

Alessandro Morbidelli

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Collège de France

Année 2025-2026

David Nesvorný

Conférence - David Nesvorný : Dynamical Origins and Properties of the Near-Earth Object Population

David Nesvorný

Southwest Research Institute, USA

Résumé

Near-Earth Objects (NEOs) are a transient population of small bodies with orbits in or near the terrestrial planet region. They represent an intermediate stage in the dynamical evolution of asteroids and comets - originating in the main belt or trans-Neptunian scattered disk - and ending with planetary impacts, solar disintegration, or ejection from the Solar System. We present an accurate physical model of NEOs developed by tracking the dynamical evolution of main-belt asteroids and comets onto NEO orbits. The model is calibrated using data from the Catalina Sky Survey (CSS) and Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE). Results show a size-dependent contribution from the main belt, with the ν6 and 3:1 resonances accounting for ~80% of faint NEOs. The debiased NEO albedo distribution is well fit by a sum of two Rayleigh distributions with scale parameters of 3% and 17%. We estimate 830±60 NEOs with diameters >1 km and 20,000±2,000 with diameters >140 m. The Earth impact probability for a >140 m object over the next millennium is ~5%. Compared to a direct-delivery model from the main belt, the CSS-detected small NEOs show an excess of low-eccentricity orbits between 1–1.6 au. This excess may result from tidal disruption of large NEOs during close encounters with the Earth.

Alessandro Morbidelli

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Année 2025-2026

09 - Les astéroïdes et leurs échantillons : les météorites – témoins des premières phases de la formation planétaire : Formation et évolution de la ceinture des astéroïdes

Alessandro Morbidelli

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Collège de France

Année 2025-2026

David Nesvorný

Conférence - David Nesvorný : Collisional Families in the Asteroid Belt and Sources of Meteorites

David Nesvorný

Southwest Research Institute, USA

Résumé

Main-belt asteroids originally formed in a dynamically quiet disk, but their orbits were later stirred by Jupiter's gravity, leading to high-speed collisions. Over the age of the Solar System, dozens of large asteroids have been disrupted by such impacts, producing groups of fragments known as asteroid families. Here we explain how asteroid families are identified, review the current inventory, and discuss how they provide insight into the collisional and dynamical evolution of the asteroid belt. Currently, about 360 asteroid families have been cataloged, including ~100 that formed within the past 10 million years. Studies of these families shed light on the physics of large-scale collisions - a key process in the formation of Earth and other terrestrial planets - and place important constraints on the belt's collisional history. Some findings suggest that much of the asteroid belt may be composed of fragments from early, unresolved breakups. Asteroid families also play a crucial role in understanding orbital evolution, including the influence of radiative forces like the Yarkovsky and YORP effects, as well as resonant interactions - processes that underpin the delivery of near-Earth asteroids and meteorites.

Alessandro Morbidelli

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Année 2025-2026

Sébastien Charnoz

Université Paris-Cité, IPGP, Paris

Séminaire - Sébastien Charnoz : Condensation hors-équilibre et oxydation dans le Système solaire

Alessandro Morbidelli

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Année 2025-2026

08 - Les astéroïdes et leurs échantillons : les météorites – témoins des premières phases de la formation planétaire : Une vision globale (partielle) de l'évolution initiale du Système solaire interne

Alessandro Morbidelli

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Année 2025-2026

David Nesvorný

Conférence - David Nesvorný : Following Comets to Their Distant Source Reservoirs and Back

David Nesvorný

Southwest Research Institute, USA

Résumé

Comets are icy bodies that originate in the trans-Neptunian region and evolve into the inner Solar System, where they become active due to the sublimation of water ice triggered by solar heating. We describe dynamical models that trace the implantation of comets into their distant source reservoirs during the early Solar System, approximately 4.6 billion years ago. These models are used to predict the present-day orbital distribution and number of active comets, which are then compared to observational data. The results indicate that the scattered disk and the Oort cloud are the primary source reservoirs for ecliptic comets (short-period) and isotropic comets (long-period and Halley-type), respectively. The observed orbital distribution of ecliptic comets is well reproduced if their physical lifetimes are limited to a few hundred perihelion passages within 2.5 astronomical units of the Sun. In contrast, small Oort-cloud comets tend to be more active and typically disintegrate after only a few such passages. Halley-type comets appear to represent an extension of the population of large, returning Oort-cloud comets to shorter orbital periods. We explore how the dynamical structure of cometary reservoirs is affected by the Galactic tide and Sun's birth environment within a stellar cluster.

Alessandro Morbidelli

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Collège de France

Année 2025-2026

07 - Les astéroïdes et leurs échantillons : les météorites – témoins des premières phases de la formation planétaire : La dynamique des poussière et la formation des planétésimaux: théorie vs. observations

Alessandro Morbidelli

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Année 2025-2026

David Nesvorný

Conférence - David Nesvorný : Formation of Equal-Size Binaries in the Kuiper Belt

David Nesvorný

Southwest Research Institute, USA

Résumé

A critical step in the emergence of planets within a protoplanetary disk is the accretion of planetesimals - bodies ranging from 1 to 1,000 kilometers in size - formed from smaller solid constituents. However, this process remains poorly understood, largely due to limited observational constraints on the complex physical mechanisms involved in planetesimal formation. In the outer Solar System, the best place to look for clues is the Kuiper belt, where a population of icy planetesimals survived to this day. We present evidence that Kuiper Belt planetesimals formed via the streaming instability, a process in which aerodynamically concentrated clumps of pebbles undergo gravitational collapse to form 100-kilometer-class bodies. This mechanism explains the high prevalence of equal-sized binaries observed in the Kuiper Belt. The model predicts a broad inclination distribution and a predominance of prograde binary orbits, consistent with observations of trans-Neptunian binaries. Given its robustness across a wide range of protoplanetary disk conditions, the streaming instability is likely to have played a central role in seeding planetesimal formation throughout the Solar System and in other planetary systems as well.

Alessandro Morbidelli

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Année 2025-2026

06 - Les astéroïdes et leurs échantillons : les météorites – témoins des premières phases de la formation planétaire : La dichotomie isotopique

Alessandro Morbidelli

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Collège de France

Année 2025-2026

Séminaire - Clara Maurel : Le paléomagnétisme des météorites : de l'évolution du disque protoplanétaire à la structure interne des corps parents

Clara Maurel

CNRS, CEREGE, Aix-en Provence

Alessandro Morbidelli

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Collège de France

Année 2025-2026

05 - Les astéroïdes et leurs échantillons : les météorites – témoins des premières phases de la formation planétaire : Le paléomagnétisme des météorites : de l'évolution du disque protoplanétaire à la structure interne des corps parents

Alessandro Morbidelli

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Année 2025-2026

Collège de France

Séminaire - Yves Marrocchi : Histoire de la poussière du système solaire raconté par les chondres

Yves Marrocchi

CNRS, CRPG, Nancy

Alessandro Morbidelli

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Année 2025-2026

Collège de France

04 - Les astéroïdes et leurs échantillons : les météorites – témoins des premières phases de la formation planétaire : Les chondres

Alessandro Morbidelli

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Collège de France

Année 2025-2026

Séminaire - Adnan Ahmad : Formation des disques protoplanétaires et mécanismes de transport des CAIs

Adnan Ahmad

CRAL, ENS Lyon

Alessandro Morbidelli

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Collège de France

Année 2025-2026

04 - Les astéroïdes et leurs échantillons : les météorites – témoins des premières phases de la formation planétaire : Formation des disques protoplanétaires et mécanismes de transport des CAIs

Alessandro Morbidelli

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Collège de France

Année 2025-2026

02 - Les astéroïdes et leurs échantillons : les météorites – témoins des premières phases de la formation planétaire : Les météorites et leur provenance

Alessandro Morbidelli

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Année 2025-2026

01 - Les astéroïdes et leurs échantillons : les météorites – témoins des premières phases de la formation planétaire : La ceinture des astéroïdes

Alessandro Morbidelli

Formation planétaire : de la Terre aux exoplanètes

Collège de France

Année 2024-2025

08 - Origine et évolution du Système solaire externe : L'origine des satellites irréguliers des planètes géantes et des Troyens de Jupiter et Neptune dans le modèle de Nice

Résumé

La capture des satellites irréguliers des planètes géantes et des Troyens de Jupiter et de Neptune, ainsi que leurs propriétés physiques et dynamiques, ne peuvent être expliquées ni par la simple croissance en masse des planètes géantes ni par leur migration dans le disque des planétésimaux. Seule l'instabilité planétaire décrite par le modèle de Nice, avec ses rencontres proches entre planètes, rend compte de l'existence et des caractéristiques de ces populations. Avec les orbites planétaires, l'existence et les propriétés des satellites irréguliers des planètes géantes ainsi que des Troyens de Jupiter et de Neptune constituent la preuve principale de la validité du modèle de Nice.

Alessandro Morbidelli

Formation planétaire : de la Terre aux exoplanètes

Collège de France

Année 2024-2025

Séminaire - Sarah Joiret : Le bombardement cométaire des planètes telluriques

Sarah Joiret

Collège de France

Résumé

Lors de l'instabilité des planètes géantes, le disque transneptunien est complètement dispersé. Une partie des objets est alors projetée vers l'intérieur du Système solaire, provoquant un intense bombardement cométaire des planètes telluriques. Les propriétés des gaz rares présents dans l'atmosphère terrestre enregistrent ce bombardement, permettant d'en contraindre l'ampleur et, en partie, la temporalité par rapport à l'histoire d'accrétion de la Terre.

Alessandro Morbidelli

Formation planétaire : de la Terre aux exoplanètes

Collège de France

Année 2024-2025

07 - Origine et évolution du Système solaire externe : L'origine de la ceinture de Kuiper dans le modèle de Nice

Résumé

L'instabilité planétaire décrite par le modèle de Nice propose une dynamique de Neptune qui diffère en partie de la migration graduelle vers l'extérieur précédemment utilisée pour expliquer la structure de la ceinture de Kuiper (voir cours 4). Il est donc nécessaire de revisiter l'origine de cette structure à la lumière du modèle de Nice pour en vérifier la validité. Il en ressort que certains aspects subtils de la distribution des objets transneptuniens ne peuvent être expliqués qu'en tenant compte d'une phase d'instabilité dynamique des planètes géantes, telle que celle décrite par le modèle de Nice.

Alessandro Morbidelli

Formation planétaire : de la Terre aux exoplanètes

Collège de France

Année 2024-2025

06 - Origine et évolution du Système solaire externe : Quand l'instabilité des planètes géantes a-t-elle eu lieu ?

Résumé

Cette question est cruciale pour comprendre pleinement l'évolution du Système solaire. Nous examinerons diverses contraintes, telles que l'évolution du bombardement des planètes telluriques, enregistrée par les cratères lunaires, la survie des objets binaires dans la ceinture de Kuiper, ainsi que différentes hypothèses dynamiques. Malheureusement, la réponse reste difficile à établir, et la question demeure ouverte, faisant de ce sujet un domaine de recherche passionnant et en constante évolution.

Alessandro Morbidelli

Formation planétaire : de la Terre aux exoplanètes

Collège de France

Année 2024-2025

Séminaire - Philippine Griveaud : Un modèle de Nice construit à partir d'un disque protosolaire à faible viscosité

Philippine Griveaud

Max Planck, Heidelberg

Résumé

Ce séminaire présentera une toute nouvelle version du modèle de Nice, où la chaîne résonante des planètes est construite à partir de simulations de migration planétaire dans un disque protoplanétaire à faible viscosité. Dans ce scénario, Jupiter et Saturne sont capturées en résonance 2:1, avec des excentricités plus élevées que celles associées à leur résonance 3:2. Le séminaire examinera les avantages et les inconvénients d'un modèle de Nice basé sur de telles conditions initiales.

Alessandro Morbidelli

Formation planétaire : de la Terre aux exoplanètes

Collège de France

Année 2024-2025

05 - Origine et évolution du Système solaire externe : Le(s) nouveau(x) modèle(s) de Nice

Résumé

Les nouvelles versions du modèle de Nice sont issues du constat que les orbites des planètes géantes devaient être en résonance mutuelle au moment de la dissipation du gaz, après la phase de migration induite par les interactions gaz-planète au sein du disque protoplanétaire. Contrairement à la première version du modèle, les conditions initiales des planètes ne sont donc pas arbitraires. Dans la version actuelle du modèle de Nice, Jupiter et Saturne sont initialement en résonance 3:2 (leur rapport de périodes orbitales est égal à 1,5), tandis qu'Uranus et Neptune peuvent se trouver dans différentes résonances (2:1, 3:2, 4:3, etc.). L'existence d'une cinquième planète de masse comparable à celle de Neptune est parfois également postulée. La rupture de cette chaîne résonante, provoquée par les interactions avec les planétésimaux, déclenche la phase d'instabilité dynamique des planètes. Les orbites actuelles des planètes peuvent être reproduites dans une fraction significative des simulations.

Alessandro Morbidelli

Formation planétaire : de la Terre aux exoplanètes

Collège de France

Année 2024-2025

04 - Origine et évolution du Système solaire externe : Origine et évolution du Système solaire externe

Résumé

La structure complexe de la ceinture de Kuiper suggère que le disque primordial des planétésimaux a été sculpté par des changements orbitaux irréversibles des planètes géantes. En effet, une fois le gaz du disque dissipé, les planètes doivent modifier leurs orbites tout en dispersant les planétésimaux de leurs voisinages. La migration de Neptune vers l'extérieur au cours de ce processus explique la formation des populations résonnante, chaude, du disque dispersé, ainsi que sa composante fossilisée. Cependant, dans ce scénario simplifié, les orbites planétaires restent trop circulaires et coplanaires. Le modèle de Nice est né de la quête d'un mécanisme capable d'augmenter les excentricités et les inclinaisons des orbites planétaires. Toujours fondé sur la migration induite par l'interaction avec les planétésimaux, la première version de ce modèle postule la traversée de la résonance 2:1 entre Jupiter et Saturne (qui se produit lorsque le rapport des périodes orbitales de ces deux planètes est égal à 2), déclenchant ainsi une instabilité dynamique du système planétaire.

Alessandro Morbidelli

Formation planétaire : de la Terre aux exoplanètes

Collège de France

Année 2024-2025

Séminaire - Raphael Marschall : Les Troyens de Jupiter et la mission LUCY en route pour les explorer

Raphael Marschall

CNRS, Observatoire de la Côte d'Azur et membre du comité scientifique de la mission LUCY

Résumé

Ce séminaire explorera en détail les propriétés physiques des Troyens de Jupiter. Il présentera la mission LUCY de la NASA, lancée en 2021, qui rencontrera cinq objets troyens entre 2027 et 2033. Nous aborderons également la découverte passionnante réalisée en 2023, lors de la phase de transfert, d'un astéroïde binaire dont le satellite est lui-même un binaire à contact.

Alessandro Morbidelli

Formation planétaire : de la Terre aux exoplanètes

Collège de France

Année 2024-2025

03 - Origine et évolution du Système solaire externe : Les planètes géantes, leurs satellites et les objets Troyens

Résumé

Après une brève présentation des propriétés des planètes géantes, nous décrirons leurs populations de satellites, en mettant l'accent sur les satellites dits « irréguliers » en raison de leurs orbites excentriques et inclinées, probablement capturés depuis le disque protoplanétaire. Nous examinerons également les propriétés dynamiques des Troyens, des objets partageant les orbites de Jupiter ou de Neptune et oscillant autour des points d'équilibre découverts par J.-L. Lagrange.

Alessandro Morbidelli

Formation planétaire : de la Terre aux exoplanètes

Collège de France

Année 2024-2025

02 - Origine et évolution du Système solaire externe : L'origine des comètes et la fantomatique Planète IX

Résumé

Les comètes sont classées en deux grandes familles en fonction de leurs propriétés orbitales : les comètes de la famille de Jupiter et les comètes à distribution isotrope. Les premières proviennent de la ceinture de Kuiper, plus précisément de sa sous-composante appelée le disque dispersé. Les secondes proviennent d'un réservoir situé aux confins du Système solaire, le nuage d'Oort. Les mécanismes qui transportent les comètes depuis leurs sources jusqu'au Système solaire interne seront détaillés, ainsi que l'origine de ces deux réservoirs. Nous aborderons également le débat scientifique autour de l'éventuelle existence d'une neuvième planète dans le Système solaire.