La glace amorphe ne se rencontre pas sur Terre, en dehors des laboratoires, mais bien à la surface des poussières cosmiques ou des planètes glacées du Système solaire. Elle y est le lieu d’une chimie prébiotique que l’on veut comprendre pour élucider le mystère de l’origine de la vie.
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L’eau est une des substances les plus étranges de l’Univers observable. Elle se dilate quand elle gèle, contrairement à la majorité des liquides, se comporte comme un solvant presque universel et bien sûr elle est nécessaire à la vie, au moins celle que nous connaissons sur Terre. On arrive jusqu'à un certain point à reproduire une partie de ses propriétés en faisant de savants et complexes calculs sur ordinateurordinateur avec l'équation de Schrödinger. Mais des expériences restent indispensables pour percer tous ses secrets.
On sait notamment qu'elle peut exister sous différentes phases une fois solidifiée et qu'il existe donc plusieurs types de glace d'eau comme l'ont montré les expériences initiées par un des pionniers de la physique des hautes pressions, le physicienphysicien P. W. Bridgman. Il a contribué à l'extension de notre connaissance des types de glaces en fabriquant, en 1912 d'abord les glaces V et VI, puis, en 1937, la glace VII. Avant lui, la première glace découverte par l'humanité, celle des glaciersglaciers et de la neige, avait été classifiée au début du XXe siècle par Gustav Tammann, sous l'appellation de « glace Ih » (la lettre « h » indique qu'elle fait partie des cristaux dont la maille cristallinemaille cristalline est hexagonale). Tammann a aussi découvert les glaces de types II et III.
Il se trouve qu'il existe un type de glace qui contrairement aux autres n'est pas cristallisée et qui pour cette raison est appelée glace amorpheamorphe. Elle se forme a contrario des premières à des pressions quasi nulles, c'est-à-dire dans un vide poussé tel que celui du milieu interplanétaire et surtout interstellaire, à très basse température. Cette glace amorphe entoure les grains de poussière des nuages interstellaires et on sait que se produisent dans cette glace des réactions chimiquesréactions chimiques prébiotiquesprébiotiques.
On a de bonnes raisons de penser également que certaines des glaces planétaires dans le Système solaireSystème solaire sont amorphes, par exemple probablement au niveau de certains cratères lunaires ou sur les luneslunes glacées de JupiterJupiter telle Europe. Explorer la physique et la chimiechimie de ces glaces dans les conditions reproduisant celles de la surface de ces lunes ou dans les nuages moléculaires froids et poussiéreux pourrait donc être riche en enseignements pour l’exobiologie.
Les mystères de l'exobiologie éclairés par des neutrons
Cela pourrait même être révolutionnaire car prenant le contrepied des théories faisant naître la vie dans les parois de sources hydrothermales chaudes, Stanley Miller et quelques-uns de ses prestigieux collègues, comme Jeffrey L. Bada, ont exploré la possibilité qu'elle soit en fait née dans la glace !
Il n'est donc pas étonnant que les scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du département américain de l'ÉnergieÉnergie (DOE) et du Jet Propulsion LaboratoryJet Propulsion Laboratory de la NasaNasa à Pasadena, en Californie, ont entrepris d'étudier la glace amorphe en la reproduisant en laboratoire.
Cette glace cosmique exotiqueexotique a d'abord été produite par ces chercheurs en abaissant la température d'une plaque de saphir monocristallin à 25 K. Ils l'ont ensuite placée dans une chambre à vide et ont fait croître presque moléculemolécule par molécule un film de glace d'eau lourdeeau lourde (D2O), donc contenant un isotopeisotope de l'hydrogènehydrogène, le deutérium, sur le saphir. Ce faisant, ils ont observé comment la structure de la glace changeait avec les variations de température avant de finalement former de la glace cristalline.
Typiquement, cette exploration des changements de l'ordre dans un milieu condensé lors d'une transition de phasetransition de phase peut se conduire en étudiant la diffractiondiffraction d'un faisceau de neutronsneutrons traversant ce milieu. C'est une technique employée depuis plus d'un demi-siècle, en particulier pour étudier les matériaux supraconducteurssupraconducteurs et magnétiques. L'ORNL est bien connu pour permettre ce genre de science grâce à sa source de neutrons de spallation (SNS).
Les chercheurs veulent mieux comprendre ce qui peut se passer avec des glaces cristallines ou amorphes bombardées par des rayons cosmiquesrayons cosmiques et comment ces particules peuvent faire passer l'une de ces glaces à l'autre. L'une des retombées des études en cours à ce sujet sera de fournir des informations aux membres de la mission Europa Clipper qui est en préparation. Ces informations les aideront à interpréter les données collectées par la sonde quand elle étudiera la banquisebanquise d'Europe.
Origine de la vie : la Nasa étudie la glace cosmique
Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 08/03/2013
La glace amorphe ne se rencontre pas sur Terre, en dehors de laboratoires comme le Cosmic Ice Lab de la Nasa, mais bien à la surface des poussières cosmiques. Elle y est le lieu d'une chimie prébiotique que l'on veut comprendre pour élucider le mystère de l'origine de la vie. On vient de montrer qu'elle peut protéger les acides aminésacides aminés des rayons cosmiques.
C'est l'essor de la radioastronomie après la seconde guerre mondiale qui a permis la découverte de nombreuses molécules interstellaires depuis environ 40 ans. Un nouveau domaine scientifique s'est alors ouvert, celui de l'astrochimie, conjointement avec les progrès fulgurants de la planétologie comparée rendus possibles par la conquête spatiale.
De prime abord, l'existence de ces molécules était paradoxale, car on les trouvait dans des nuages à de très basses températures et malgré tout dans des conditions de vide très poussé. On a fini par comprendre qu'elles peuvent tout de même apparaître en phase gazeuse dans un ultravide et à des températures de l'ordre de 10 K, soit environ -263 °C. Autre découverte, elles peuvent se former dans le manteaumanteau de glace amorphe recouvrant les poussières interstellaires présentes dans les nuages moléculaires.
Cette glace amorphe, comme son nom l'indique, n'est pas sous forme cristallineforme cristalline. Pour apparaître, elle requiert des conditions de pression et de température extrêmes et précises qui ne peuvent exister sur Terre que dans des laboratoires comme le Cosmic Ice Lab du célèbre Nasa's Goddard Space Flight CenterGoddard Space Flight Center. En fait, on a de bonnes raisons de penser que la majorité de l'eau dans l'universunivers observable se trouve sous forme de glace amorphe. On la trouve aussi au sein de notre Système solaire dans les comètescomètes et à la surface de certaines lunes glacées comme Europe (sur Callisto, la glace est principalement sous forme cristalline).
Une glace pour la chimie prébiotique
Les poussières entourées de glace amorphe intéressent les exobiologistes, car l'on pense que plusieurs stades importants de la chimie prébiotique ont pu se dérouler dans leur gangue de glace. En effet, il y a tout lieu de penser que des réactions de photodissociation et de recombinaisonrecombinaison se produisent dans cette glace amorphe, qui contiendrait aussi des atomesatomes d'azoteazote et de carbonecarbone, sous l'action des ultravioletsultraviolets émis par les jeunes étoilesétoiles présentes dans les nuages moléculaires. On sait en outre que des rayons cosmiques, principalement composés de protonsprotons, frappent ces poussières dans les nuages.
Une présentation des travaux de recherche sur la glace cosmique effectués par les astrochimistes de la Nasa. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En passant simplement la souris sur le rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « français », puis cliquez sur « OK ». © NASAexplorer, YouTubeYouTube
Dans le cadre de leur étude des propriétés physicochimiques de la glace cosmique et des divers processus astrochimiques associés, des chercheurs du Cosmic Ice Lab ont voulu en apprendre un peu plus sur l'effet des rayons cosmiques sur les molécules organiques pouvant se trouver dans cette glace. Des résultats d'expériences réalisées avec des acides aminés viennent d'être publiés dans le journal Icarus.
La stabilité des acides aminés en question
On sait que des acides aminés ont été trouvés dans des météoritesmétéorites primitives. Il est naturel d'imaginer que ces acides se sont formés dans le nuage moléculaire apparu avant la naissance de l'étoile mère du SoleilSoleil et de la nébuleusenébuleuse protosolaire. Les chercheurs de la Nasa ont voulu savoir si les acides aminés pouvaient conserver leur intégritéintégrité dans la glace amorphe entourant des poussières, ou juste sous la surface des planètes et comètes, malgré le rayonnement cosmique.
Ils ont fabriqué plusieurs échantillons de glace amorphe, dont trois composés d'un mélange d'eau et de trois acides aminés, respectivement la glycineglycine, l'alaninealanine et phénylalaninephénylalanine. Ces échantillons étaient refroidis à 15 K et sous une pression un milliard de fois plus faible qu'au niveau de la mer durant des expériences reproduisant les conditions rencontrées dans l'espace. Ils ont donc en plus été soumis à des faisceaux de protons créés à l'aide de champs électriqueschamps électriques élevés produits par des générateursgénérateurs de Van de Graaff. Avec les protons ainsi accélérés, il est possible de simuler les effets d'un million d'années d'exposition aux rayons cosmiques en seulement une demi-heure.
À partir des données obtenues, les astrochimistes ont conclu que certains acides aminés pouvaient être conservés de quelques dizaines à quelques centaines de millions d'années sous au moins un centimètre de glace amorphe à la surface de Mars, de PlutonPluton ou des comètes.
