Le Grand Tack est un scenario proposé par Alessandro Morbidelli, Kevin Walsh et Sean Raymond pour expliquer certaines particularités du système solaire, comme la petite taille de Mars, la ceinture d’astéroïdes, la position de Neptune et la diversité des objets transneptuniens. On donne aussi à ce scenario le nom de modèle de Nice : il s’appuie sur les résultats d’une modélisation très poussée du disque protoplanétaire au moment de la formation du système solaire.

Ce scenario présuppose que la planète Jupiter est la première à s’être formée, ce qui explique qu’elle soit la plus massive : premier arrivé, premier servi. Elle se serait formée à la limite de la ligne des glaces du jeune Soleil, à 3,5 UA environ de celui-ci (le Soleil était 30% moins lumineux à l’époque). Jupiter, freiné par le disque de gaz, de poussières et de planétésimaux entourant le Soleil, aurait très rapidement migré vers l’intérieur du système solaire, jusqu’à atteindre une orbite de rayon 1,5 UA. Ce type de migration semble fréquent dans l’Univers si l’on se réfère au nombre de « Jupiters chauds » découverts par le satellite Kepler (planète gazeuse de la taille de Jupiter proches de leur étoile). La migration aurait été très rapide : quelques centaines de milliers d’années.

La deuxième étape du scenario suit la formation de Saturne, également à la limite de la ligne des glaces. Saturne aurait alors suivi le même chemin que Jupiter jusqu’à ce que les deux planètes se retrouvent dans une résonance 3:2 (Jupiter effectue trois révolutions pendant que Saturne en effectue deux). Une telle résonance lie le sort des deux planètes : une modification de la trajectoire de l’une a un impact sur celle de l’autre.

Dans un premier temps cette résonance stabilise les orbites deux planètes. Mais, sur le long terme, la résonance va tendre à faire prendre le large au système Saturne-Jupiter. L’explication donnée par les chercheurs est la suivante. Le disque protoplanétaire dans lequel évoluent les deux planètes n’est pas homogène (à ce stade de la formation du système solaire il ne s’est pas encore dissipé). Il est moins dense vers l’extérieur. Il en résulte un différentiel entre le couple de freinage exercé sur Saturne et celui exercé sur Jupiter. Ce différentiel va « tirer » le système résonant Saturne-Jupiter vers l’extérieur.

Et la conservation du moment angulaire dans tout cela ? Elle se traduit par un échange de moment angulaire entre le système résonant Saturne-Jupiter et le disque protoplanétaire. Cette dérive est très lente, elle dure des dizaines, voire des centaines de millions d’années. Une fois le disque protoplanétaire dissipé, Saturne et Jupiter finissent par trouver une orbite stable.

Les conséquences du Grand Tack

Le scenario du Grand Tack explique de façon simple la taille réduite de Mars par rapport à celle de la Terre et de Vénus. Lorsque le rayon de l’orbite de Jupiter était voisin de 1,5 UA, la planète a fait le ménage, ne laissant à Mars que peu de matière pour se développer. Idem pour la ceinture d’astéroïdes. La lente dérive du couple Saturne-Jupiter a renvoyé vers l’intérieur du disque des poussières et des planétésimaux. (C’est la conséquence de l’échange de moment angulaire entre le disque et le système formé par les deux planètes en résonance.) Le grand Tack explique aussi pourquoi la ceinture d’astéroïdes comporte des éléments rocheux (en provenance de l’intérieur du disque) et des éléments riches en eau qui n’ont pu se former qu’au-delà de la ligne des glaces. Signalons enfin que cette migration, en perturbant la trajectoire de nombreux astéroïdes, pourrait être à l’origine de ce que les planétologues appellent le grand bombardement tardif. Le grand bombardement tardif se serait produit il y a 3,9 milliards d’années environ et aurait pilonné toutes les planètes telluriques pendant cent ou deux cents millions d’années. On trouve des traces de ce bombardement sur la Lune. Une partie de l’eau à la surface de la Terre pourrait provenir des astéroïdes qui ont impacté la Terre à cette époque.

Un développement ultérieur du modèle prédit qu’Uranus et Neptune se seraient formés plus tard sur des orbites beaucoup plus proches du Soleil que leur orbite actuelle. Ces deux planètes auraient été en résonance avec Saturne. La dérive de Jupiter et Saturne aurait déstabilisé les deux planètes qui auraient rejoint leur position actuelle. Ceci expliquerait la taille de Neptune. Compte tenu de sa distance au Soleil (30 UA) et de la faible densité du disque protoplanétaire à cette distance, Neptune n’a pas pu se former à cet endroit.

Ce ballet de planètes donne également une explication à l’existence de la ceinture de Kuyper (entre 30 et 55 UA) dans laquelle on retrouve un bon nombre d’objets rocheux.