Le Nébulotron synthétise des composés organiques de la nébuleuse primitive

Les composés organiques extraterrestres, majoritairement insolubles, ont été identifiés dans la plupart des objets primitifs du Système solaire -- météorites et micrométéorites, poussières interplanétaires (IDP) et poussières cométaires (comme les grains de la comète Wild 2 ramenés par la mission Stardust). Ils constituent un réservoir primordial majeur des éléments volatils (H, C, N et gaz rares) et ont pu jouer un rôle important lors de mise en place des atmosphèresatmosphères des planètes telluriques, mais aussi de la vie sur Terre.

En particulier, cette matière organique insoluble concentre la Phase Q (quintessence), porteuse des gaz rares de compositions élémentaire et isotopique primordiales, dont l'origine, inconnue, reste une des grandes questions de la cosmochimie. De même, l'origine des composés organiques extraterrestres est très débattue et la plupart des scénarios placent la synthèse de ces composés organiques dans le milieu interstellaire ou dans les zones externes de la nébuleusenébuleuse solaire, à très basse température (moins de 40 K). Cependant, les expériences réalisées à partir de glaces d'eau et de composés organiques simples n'ont pas permis de reproduire des caractéristiques fondamentales de ces composés organiques extraterrestres, à savoir leurs compositions isotopiques extrêmes de l'hydrogènehydrogène et de l'azoteazote, ainsi que leur contenu en gaz rares.

Pour répondre à ces questions, les chercheurs du Centre de recherches pétrographiques et géochimiques de Nancy (CNRS, université de Lorraine) ont synthétisé des composés organiques solidessolides en ionisant dans un réacteur plasma (le Nébulotron) des mélanges de gaz de composition rappelant celle de la nébuleuse protosolaire (H₂O, H₂, CO, N₂, gaz rares). Le type de plasma utilisé (plasma micro-ondes) induit un chauffage des gaz fluant dans le réacteur à des températures comprises entre 500 et 1.000 K. La caractérisation détaillée des composés organiques synthétiques met en évidence des propriétés chimiques et physiquesphysiques très proches de celles observées pour la matière organique insoluble des météorites primitives.

D'autre part, les gaz rares piégés dans les solides synthétisés présentent des concentrations ainsi que des compositions élémentaires et isotopiques équivalentes à celles des gaz rares primordiaux portés par la Phase Q des météorites primitives. Ce dernier point démontre l'importance de l'ionisationionisation des gaz, nécessaire à la mise en place des fractionnements élémentaires et isotopiques des gaz rares. C'est la première expérience qui permet de reproduire des caractéristiques à la fois chimiques, structurales et isotopiques des gaz rares de ces matériaux organiques extraterrestres.

Schéma de la nébuleuse solaire (entre 0,1 et 100 AU), irradiée par les ultraviolets et rayons X stellaires et interstellaires. Le dégradé de couleur représente le gradient de température. La synthèse des composés organiques riches en azote ¹⁵N et en gaz rares est possible dans les zones les plus ionisées du disque, par l’interaction entre le gaz et les particules ionisantes (photons ou électrons). L’enrichissement en ¹⁵N provient de la photodissociation de N₂. La turbulence dans le disque permet la dispersion des composés organiques, qui peuvent alors interagir avec la glace dans les zones froides et médianes du disque. © Kuga et al. Pnas 2015

Les composés primordiaux de la partie interne du disque d’accrétion

Ces résultats expérimentaux, publiés dans les Pnas, conduisent à suggérer que la synthèse des composés organiques insolubles -- du moins de leurs précurseurs -- et la rétention des gaz rares Q primordiaux dans ces composés ont eu lieu simultanément, probablement à des températures élevées (500-1.000 K) et dans les régions de la nébuleuse protosolaire qui étaient suffisamment ionisées pour initier les processus de synthèse organique et de fractionnement élémentaire et isotopique des gaz rares. L'étude de la structure modèle des disques d'accrétiondisques d'accrétion montre que ces régions sont localisées à la surface et dans la zone interne.

La synthèse organique -- simultanément au piégeage des gaz rares Q -- a pu être initiée dans ces régions chaudes et ionisé par interaction des gaz nébulaires avec les photonsphotons du Soleil jeune (ou du milieu interstellaire) ou avec les électronsélectrons libres issus de la photo-ionisation des espècesespèces gazeuses. Ces composés organiques riches en gaz rares ont par la suite pu être dispersés dans le disque d'accrétion par des processus de turbulenceturbulence ou de sédimentationsédimentation, et interagir avec des glaces dans les parties plus froides du disque. Ce scénario favorise la photochimie de l'azote moléculaire N₂ de la nébuleuse solaire comme étant responsable de la variation extrême des compositions isotopiques de l'azote mesurées dans les différents objets du Système solaire.

Ces résultats expérimentaux démontrent que le lien entre la matière organique des météorites, la composition des gaz rares Q et celle, isotopique, de l'azote dans ces mêmes composés indique une voie de synthèse organique dans la nébuleuse solaire tout à fait alternative et originale.