Terre et Mars : deux recettes de formation lues dans la chimie de leur manteau

Au moins trois quarts du manteau et de la croûte terrestres viennent de deux protoplanètes qui ont grossi en avalant des grains millimétriques appelés galets, tandis que près des trois quarts du manteau martien proviennent de planétésimaux semblables à l’astéroïde Vesta. C’est la conclusion d’un modèle publié le 25 septembre 2026 dans Nature Astronomy par une équipe de l’université de Copenhague. Ces proportions ne sont pas mesurées : elles sont ajustées sur l’appauvrissement des deux manteaux en éléments volatils, sous une hypothèse forte sur la composition des planétésimaux disparus. Les deux planètes ont grandi par les deux voies à la fois ; seul le dosage diffère.

Trois quarts de galets pour la Terre, trois quarts de planétésimaux pour Mars

Le résultat tient en deux proportions inversées. Pour la Terre, le modèle attribue au moins 75 % environ de la partie silicatée à deux protoplanètes nourries de galets, et au plus 25 % environ à des planétésimaux semblables à Vesta. Pour Mars, le partage bascule : 27 ± 5 % de matière arrivée sous forme de galets, 73 ± 5 % de planétésimaux. Ces chiffres sont ceux d’un article signé par dix auteurs, dont Haiyang S. Wang et Anders Johansen, auteurs correspondants, du Center for Star and Planet Formation (Globe Institute, université de Copenhague) ; Martin Bizzarro et Dante S. Lauretta figurent parmi les cosignataires. Il a été publié dans Nature Astronomy le 25 septembre 2026.

Les 75 % terrestres sont un plancher, pas une valeur centrale. Dans le modèle de référence, les médianes placent la proto-Terre à 64 % (+12/−14), l’impacteur qui l’a percutée à 22 % (+14/−15) et les planétésimaux à 14 % (+10/−9). Additionnées, les deux protoplanètes nourries de galets pèsent donc environ 86 % de la Terre silicatée ; les 75 % correspondent au bas de la fourchette retenue par les auteurs. Lu ainsi, l’écart avec Mars se précise. La part des planétésimaux passe d’environ un septième pour la Terre à près des trois quarts pour sa voisine.

Aucune des deux planètes n’est faite d’un seul matériau. Les deux voies de croissance ont contribué partout, et c’est ce mélange, que les auteurs appellent accrétion hybride, que l’étude chiffre.

Le résultat est récent. L’article a été accepté formellement le 21 août 2026, déposé en préprint sur arXiv le 25 août, puis publié avec sa version finale le 25 septembre. Le communiqué de l’université de Copenhague circule dans des reprises datées du 1ᵉʳ octobre, et les premiers relais francophones paraissent début octobre.

Poussière, galets, planétésimaux : les deux chantiers d’une planète rocheuse

Il y a environ 4,56 milliards d’années, le Soleil naissant était entouré d’un disque de gaz et de poussière, le point de départ de la formation et de l’architecture du Système solaire. Les planètes rocheuses en sont sorties par deux voies que le mot d’accrétion confond. Elles ne reposent pas sur le même geste physique.

La première est la plus ancienne en théorie. Ses bases ont été posées il y a une soixantaine d’années, notamment par Viktor Safronov et George Wetherill. Des planétésimaux, corps solides de l’ordre d’une centaine de kilomètres de rayon dans le modèle de 2021 de l’équipe de Copenhague, se percutent et s’agrègent en embryons, qui se percutent à leur tour. Le chantier est long : dans ce modèle classique, il s’étale sur des dizaines de millions d’années.

La seconde voie travaille au grain. Les galets, traduction usuelle de l’anglais pebbles que certains relais rendent par cailloux, sont des agrégats d’environ un millimètre, la taille des chondres. Ils dérivent dans le disque de gaz, et une protoplanète déjà formée les avale au passage. Cette voie a une contrainte stricte : elle n’opère que tant que le gaz est présent. Dans le modèle publié par la même équipe dans Science Advances le 17 février 2021, le gaz se dissipe vers 5 millions d’années, les protoplanètes démarrent entre 0,66 et 2,67 millions d’années, et la Terre a déjà environ 60 % de sa masse quand le disque disparaît.

Ce modèle de 2021 décrivait un scénario précis. Les protoplanètes de Vénus, de la Terre, de Théia et de Mars se forment près de l’orbite martienne, puis migrent vers l’intérieur en accrétant des galets, tandis que Mars tire environ 60 % de sa masse de planétésimaux locaux. Il demandait aussi que la Terre contienne environ 42 % de matière de type chondrite CI, c’est-à-dire de matière carbonée venue du Système solaire externe avec les galets. C’est précisément ce chiffre que les isotopes contestent.

L’étude de 2026 ne choisit pas une voie contre l’autre. Elle suppose que les deux ont joué et cherche dans quelle proportion. La nouveauté tient au dosage, et à la manière de le lire.

L’enveloppe de gaz, un four qui trie les éléments au passage

Pour qu’un mode de croissance laisse une trace chimique, il faut un tri. Le modèle le situe dans l’enveloppe d’hydrogène et d’hélium qu’une protoplanète en croissance retient autour d’elle. Cette enveloppe est chaude, et plus chaude à mesure qu’on descend vers sa base.

Un galet qui y tombe s’échauffe et se sublime. Tout élément dont la température de sublimation est inférieure à celle du bas de l’enveloppe passe en vapeur. Cette vapeur ne reste pas sur place : la convection et le recyclage du gaz la renvoient vers le disque. Les éléments réfractaires, à partir du silicium et du magnésium, restent au contraire dans une couche profonde de vapeur silicatée, protégée par une zone radiative interne vers 1 400 K.

Les seuils donnent l’échelle du tri. Le magnésium et le silicium se subliment vers 1 450 à 1 480 K, au-dessus des quelque 1 400 K de la zone radiative : ils sont retenus. Le lithium et le manganèse passent en vapeur sous 1 320 K environ, le soufre vers 661 K, l’indium vers 461 K : ils sont exposés. L’enveloppe impose ainsi une coupure sur l’échelle des volatilités. Ce qui est sous le seuil repart.

Reste la question du temps. Une croissance qui s’étale sur des millions d’années pourrait brouiller un tri aussi local. Les simulations en trois dimensions des auteurs indiquent l’inverse : environ 30 % des volatils sont encore dans l’enveloppe au bout d’un an, et 3 % au plus après cinq ans. À l’échelle de la formation d’une planète, l’évacuation est quasi instantanée. Ces simulations emploient toutefois une température de disque et une durée d’accrétion différentes de celles du modèle principal, à une dimension : elles renseignent sur la vitesse du phénomène, pas sur chaque paramètre du calcul.

La conséquence est directe. Chaque galet avalé dépose dans la planète une matière déjà appauvrie selon la température du fond de l’enveloppe, et cet appauvrissement se fige au moment même de l’accrétion. Le manteau qui en résulte garde l’empreinte de la façon dont il a été nourri. C’est ce maillon qui transforme un mode de croissance en signature mesurable aujourd’hui.

Treize éléments du manteau comme pièces à conviction

Le tri laisse une signature ; encore faut-il la lire dans des roches formées il y a 4,5 milliards d’années et remaniées depuis. Le choix des éléments fait tout. L’étude ne retient que des lithophiles, ces éléments qui restent dans les roches silicatées au lieu de plonger dans le noyau métallique. Elle en ajuste treize : aluminium, titane, calcium, chrome, magnésium, silicium, lithium, manganèse, sodium, potassium, fluor, zinc et indium.

Leurs abondances sont rapportées à la composition protosolaire, celle du matériau de départ, et normalisées à l’aluminium, élément réfractaire. Ce double étalon transforme une liste de concentrations en courbe d’appauvrissement : pour chaque élément, la fraction manquante par rapport à ce que le disque contenait. Le chrome, le manganèse et le zinc, partiellement attirés par le métal, sont corrigés de ce qui a pu partir vers le noyau. Le chlore, le brome et l’iode sont écartés, parce que leur abondance de référence dans les chondrites CI est disputée ; les auteurs notent aussi que l’appauvrissement terrestre en halogènes pourrait venir de l’érosion par les collisions.

Reste à décomposer cette courbe. Le modèle dispose de deux sources aux profils distincts. La matière issue des galets porte la coupure imposée par l’enveloppe. Celle des planétésimaux porte le profil plus progressif de Vesta, à moitié appauvri vers 1 135 K. Un manteau planétaire est un mélange des deux, et l’inférence bayésienne cherche la proportion qui reproduit au mieux les treize abondances mesurées, avec son intervalle d’incertitude. C’est le principe d’un assemblage de deux vins dont on connaît chaque profil : la proportion se déduit, elle ne se voit pas.

La nature du chiffre en découle. Les 73 % martiens ou les 14 % terrestres ne sont pas des quantités observées. Ce sont des proportions ajustées, valables tant que les deux profils de départ sont justes. Le modèle doit en outre composer avec un détail fin : d’après les travaux qu’il cite, la Terre et Mars sont appauvries de 10 à 20 % en silicium, magnésium et chrome, alors que les deux premiers sont censés être retenus par l’enveloppe. C’est l’un des points sensibles du calcul. Les auteurs reconnaissent que leur modèle peut mal saisir une perte transitoire de ces trois éléments, survenue avant que la zone radiative ne se forme et ne les protège.

Vesta, l’étalon dont dépend tout le calcul

Les planétésimaux qui ont nourri la Terre et Mars ont disparu, absorbés dans les planètes. Il faut donc leur prêter une composition. L’étude prend celle de Vesta, astéroïde de la ceinture principale, deuxième corps de plus grande masse après Cérès selon la NASA, et source probable des météorites HED (howardites, eucrites, diogénites). La sonde Dawn l’a étudiée en orbite de juillet 2011 à septembre 2012. Les météorites HED fournissent la courbe : un demi-appauvrissement vers 1 135 ± 35 K de température de sublimation, sur une largeur de 62 ± 24 K.

Cette hypothèse est le pivot du résultat. Tous les planétésimaux sont supposés chimiquement semblables à un seul corps connu. Or l’origine même de l’appauvrissement de Vesta n’est pas tranchée : température du disque, évaporation d’un océan de magma ou autre cause, les auteurs la déclarent non résolue.

L’article mesure la sensibilité de son chiffre à ce choix. Si l’on laisse le modèle optimiser la composition des planétésimaux sans appauvrir magnésium, silicium et chrome, leur part dans la Terre monte à 40 % (+15/−14), contre 14 % dans le scénario de référence. La courbe ainsi obtenue ne correspond à aucun corps parent de météorites connu. Le contraste entre la Terre et Mars s’amenuise alors, sans disparaître.

Les auteurs revendiquent cette robustesse. Haiyang Wang l’énonce dans le communiqué de l’université : « Les pourcentages exacts peuvent varier quelque peu, mais nos analyses indiquent de façon constante que la Terre et Mars se sont formées de deux manières différentes. » La phrase dit exactement ce que le calcul soutient : un sens, pas une valeur. La différence de mode de croissance résiste aux variantes testées. La valeur précise des proportions, elle, dépend de l’étalon Vesta.

Mars, un embryon resté à mi-chemin

Mars est petite. Elle pèse 0,107 fois la masse de la Terre, mesure un peu plus de la moitié de son diamètre (0,532) et orbite à 1,52 fois la distance Terre-Soleil, selon la fiche planétaire de la NASA. Sa croissance a aussi été courte. En 2011, Dauphas et Pourmand ont daté sa formation par la chronologie hafnium-tungstène : Mars a atteint la moitié de sa taille vers 2 millions d’années et s’est formée en 2 à 4 millions d’années, quand des estimations antérieures allaient jusqu’à 15 millions. La Terre a mis 50 à 100 millions d’années à atteindre la sienne. Mars apparaît ainsi comme un embryon planétaire resté en l’état.

La nouvelle étude apporte une lecture chimique cohérente avec ce statut. Une protoplanète qui reçoit peu de galets grossit surtout en absorbant les planétésimaux de son voisinage, puis s’arrête tôt. Les auteurs avancent une raison possible à cette alimentation poussive : l’agitation gravitationnelle exercée par des protoplanètes de plus grande masse. C’est une piste, que l’article ne démontre pas.

Les deux résultats se rejoignent sans se confondre : la durée de formation vient de la datation de 2011, pas de l’étude de 2026. Même prudence pour la part des planétésimaux. Le modèle de 2021 de l’équipe de Copenhague l’estimait à environ 60 %, celui de 2026 à 73 ± 5 %. L’ordre de grandeur converge, mais entre deux méthodes d’un même groupe. Ce n’est pas une validation indépendante.

Une collision géante dans le décompte terrestre

L’impacteur du modèle terrestre n’est pas un projectile anonyme. C’est une seconde protoplanète, elle aussi nourrie de galets, qui fournit environ 22 % de la Terre silicatée en valeur médiane. Sa masse est estimée entre 8 et 43 % de celle de la Terre, à un sigma, une plage qui englobe les 10 à 15 % attribués d’ordinaire à Théia, le corps que le scénario d’impact géant associe à la naissance de la Lune. Une compatibilité de masse n’est pas une identification : l’article ne dit pas que son impacteur est Théia.

Le nombre de chocs diffère aussi de celui des modèles dynamiques. Un scénario à deux impacteurs reste plausible si le second est petit, 0,04 masse terrestre (+0,08/−0,03) ; un troisième est défavorisé. Les simulations N-corps, qui suivent les orbites d’un grand nombre de corps, produisent plutôt trois impacts géants. Modèle chimique et modèle dynamique ne se recouvrent pas encore.

Une hypothèse porte en outre le calcul : l’impact géant n’a fait perdre aucun élément lithophile modérément volatil. Or la perte de volatils par les collisions, pendant la phase où le disque de gaz existe encore, reste mal comprise, de l’aveu même des auteurs. Si les chocs ont emporté une partie de ces éléments, l’appauvrissement du manteau ne raconte plus seulement le mode de croissance, et le partage calculé entre galets et planétésimaux en est faussé.

Le résultat s’accorde enfin avec un modèle antérieur fondé sur le tungstène 182, publié par Olson et Sharp en 2023 : 20 % de planétésimaux, 80 % issus de deux protoplanètes de 0,7 et 0,1 masse terrestre. Les auteurs parlent d’accord, pas de confirmation.

Volatils ou isotopes : deux traceurs, deux lectures

L’accrétion de galets pour les planètes rocheuses reste contestée, et l’objection principale vient d’un autre traceur. Les deux ne mesurent pas la même chose. La volatilité renseigne sur la température à laquelle la matière a perdu certains éléments. Les isotopes du titane, du zirconium et du molybdène servent, eux, à estimer la part de matière venue du Système solaire externe.

Côté isotopes, l’équipe de Burkhardt, dont les travaux ont été présentés par la Société Max-Planck le 22 décembre 2021, a analysé notamment 17 météorites martiennes. Selon elle, la matière du Système solaire externe ne représente qu’environ 4 % des briques de la Terre et de Mars, alors qu’une croissance par galets en exigerait près de dix fois plus ; le modèle de 2021 demandait environ 42 % de matière de type CI pour la Terre. Ces auteurs en concluent à une croissance par collisions de gros corps du Système solaire interne. Dans une synthèse critique publiée en janvier 2025 dans Earth and Planetary Science Letters (vol. 650), Morbidelli, Kleine et Nimmo concluent que l’accrétion de galets ne rend pas compte de façon cohérente des contraintes de composition, de dynamique et de chronologie. Le modèle classique, où planétésimaux et embryons se percutent pendant des dizaines de millions d’années, y parvient selon eux.

Côté volatils, l’article de 2026 qualifie de débattues les preuves isotopiques sur l’origine des matériaux terrestres. Dans le communiqué de l’université de Copenhague, Haiyang Wang présente la méthode par les volatils comme plus directe, l’approche isotopique pouvant selon lui s’interpréter de plusieurs façons. C’est une position d’auteur, pas un résultat.

Le point de friction est précis. L’étude de 2026 modélise des galets de composition solaire et lit la volatilité ; elle ne répond pas directement à l’objection des 4 %. Elle ne réfute donc pas les arguments isotopiques, et ces arguments, antérieurs à elle, ne portent pas sur la lecture par la volatilité. Chaque camp juge le traceur de l’autre ambigu. La question reste ouverte.

Naines blanches et exoplanètes, prochain banc d’essai

Si l’appauvrissement en volatils signe bien le mode de croissance, la méthode n’a pas de raison de s’arrêter au Système solaire. Les auteurs voient un appui à l’hypothèse d’une perte de volatils universelle pendant la formation des planètes rocheuses dans la composition de matière rocheuse venue d’autres systèmes : celle des naines blanches dites polluées, dans l’atmosphère desquelles on observe des débris rocheux, et celle d’étoiles qui auraient ingéré des planètes. Ces étoiles sont seulement soupçonnées d’avoir accrété récemment de la matière rocheuse. L’indice reste indirect, ce qui en fait un appui à l’hypothèse et non sa démonstration.

La composition de ces débris deviendrait alors un test. Lue élément par élément, elle permettrait d’estimer combien d’eau et de composés volatils une exoplanète rocheuse a conservé, un prolongement des travaux sur les planètes autour des naines blanches. Les auteurs présentent cette application comme une piste. Le calcul y dépendrait, comme ici, d’une hypothèse sur la composition des planétésimaux, que Vesta fixe pour le Système solaire.

Pour la Terre et Mars, l’étude pose la question autrement plus qu’elle ne la clôt : non pas galets ou collisions, mais quelle part de chacun, planète par planète. Ce dosage reste contesté. La chimie des manteaux est compatible avec une Terre nourrie surtout de galets ; les isotopes, dans les travaux de 2021 et dans la synthèse parue en 2025, plaident contre un rôle majeur des galets. Le prochain travail devra lever deux inconnues : un scénario qui rende compte à la fois des treize abondances et des signatures isotopiques, et la composition réelle des planétésimaux disparus, que Vesta ne représente que par hypothèse.

FAQ — formation de la Terre et de Mars

Qu’est-ce qu’un galet en astronomie ?

C’est un agrégat solide d’environ un millimètre, de la taille des chondres, qui dérive dans le disque de gaz entourant une jeune étoile. Une protoplanète déjà formée peut l’avaler au passage. Ce mode de croissance n’opère que tant que le gaz est présent : quelques millions d’années, environ 5 millions dans le modèle de 2021 de l’équipe de Copenhague. Le mot traduit l’anglais pebble ; il ne désigne pas un caillou de rivière.

Qu’est-ce qu’un planétésimal ?

Un corps solide de l’ordre d’une centaine de kilomètres de rayon dans le modèle de 2021, qui grossit en percutant d’autres corps. La théorie classique, dont les bases ont été posées par Viktor Safronov et George Wetherill, fait naître les planètes rocheuses de ces collisions, sur des dizaines de millions d’années.

Pourquoi l’étude prend-elle Vesta comme référence ?

Les planétésimaux qui ont nourri la Terre et Mars ont disparu. Il faut leur prêter une composition, et Vesta, source probable des météorites HED, en fournit une courbe d’appauvrissement mesurable. C’est une hypothèse : avec des planétésimaux plus appauvris que tout corps parent connu, leur part dans la Terre pourrait monter vers 40 % (+15/−14) au lieu de 14 %.

Les 75 % portent-ils sur toute la masse de la Terre ?

Non. Ils portent sur la Terre silicatée, c’est-à-dire le manteau et la croûte ; le noyau métallique n’est pas dans le décompte. Le chiffre est en outre un plancher : en valeurs médianes, les deux protoplanètes nourries de galets représentent environ 86 % de la Terre silicatée.

La Terre et Mars ont-elles le même âge ?

Elles sont nées du même disque, il y a environ 4,56 milliards d’années, mais leur croissance n’a pas duré le même temps. Selon la datation hafnium-tungstène de Dauphas et Pourmand (Nature, 2011), Mars s’est formée en 2 à 4 millions d’années, quand la Terre a mis 50 à 100 millions d’années à atteindre sa taille. Ces durées ne viennent pas de l’étude de 2026.

L’étude contredit-elle les arguments isotopiques ?

Elle ne les réfute pas. Les isotopes du titane, du zirconium et du molybdène indiquent qu’environ 4 % seulement de la Terre et de Mars viennent du Système solaire externe, ce que leurs auteurs jugent incompatible avec une croissance par galets. L’étude de 2026 lit un autre traceur, la volatilité, et ne répond pas directement à cette objection. Chaque camp juge l’autre traceur ambigu.

Quel lien avec la Lune ?

Le lien passe par Théia, le corps que le scénario d’impact géant associe à la naissance de la Lune. L’impacteur du modèle terrestre a une masse de 8 à 43 % de celle de la Terre, une plage qui englobe les 10 à 15 % attribués d’ordinaire à Théia. C’est une compatibilité de masse, pas une identification : l’article ne dit pas que son impacteur est Théia, et ses chiffres ne donnent aucune composition lunaire.