D'où vient l'eau présente sur Terre ainsi que sur les autres corps planétaires du Système Solaire ? Voilà une question depuis longtemps débattue, qui nécessite de remonter le temps, avant même la formation de notre Planète. Et pour cela, rien de tel que l'étude des météorites primitives.

Des chercheurs de l'Institut de Minéralogie de Physique des Matériaux, de Minéralogie et de Cosmochimie, de l'Université Paris-Saclay et de l'Université de Pau et des Pays de l'Adour se sont donc intéressés à la composition isotopique de l'hydrogène de minérauxminéraux présents dans certaines météorites retrouvées sur Terre. Ces météorites, dites « primitives » (chondrites), sont en effet les témoins de la composition originelle de notre Système solaire.  

Exemple de chondrite. © Didier Descouens, Wikimedia Commons, CC by-sa 4.0

Les isotopes de l’hydrogène, traceurs de la composition primitive du Système solaire

Leur étude permet donc de savoir quels étaient les isotopes de l'hydrogène présents au moment de la formation du Système solaire. La recherche de l'origine de l'eau peut en effet être envisagée par l'étude des compositions isotopiques des deux éléments chimiqueséléments chimiques qui la composent : l'hydrogène et l'oxygèneoxygène. Naturellement, l'hydrogène possède trois isotopes, qui sont notés ¹H (protium), ²H (deutérium) et ³H (tritiumtritium). Ils correspondent aux différentes configurations possibles du nombre de neutronsneutrons et de protonsprotons au sein du noyau atomique. Ce sont en quelque sorte des sosies d'un même élément chimique, mais présentant chacun quelques subtiles différences. Parmi ces trois isotopes, c'est le deutérium (D, ou ²H) qui intéresse particulièrement les chercheurs. Et plus précisément son ratio par rapport au Protium (H, ou ¹H), qui est l'isotope le plus fréquent sur Terre.

Cependant, mesurer la composition isotopique de l'hydrogène au sein de minéraux formés sous très faible pressionpression et très haute température représente un challenge technique. L'un des problèmes réside dans le fait que la plupart des météorites ont subi des altérations chimiques suite à la circulation de fluide après leur phase d'accrétionaccrétion. Ces altérations ont tendance à masquer le signal correspondant à la composition primaire héritée du disque protoplanétaire.

Le disque de gaz à l'origine du Système solaire © Nasa, JPL, Caltech, T. Pyle

Les scientifiques ont donc dû soigneusement sélectionner les chondriteschondrites à étudier, favorisant celles ayant subi le moins de modifications. La quantité d'hydrogène ainsi que la composition isotopique ont ensuite été estimées en utilisant une nouvelle méthode spécifiquement développée pour cette étude.

Deux réservoirs gazeux différents

Les résultats, publiés dans la revue Nature Astronomy, montrent que les minéraux primaires des chondrites, c'est-à-dire les premiers à être apparus, se seraient formés par condensationcondensation à partir de la nébuleusenébuleuse solaire, qui est à l'origine de toute la matièrematière du Système solaire. Le ratio D/H y est très faible, en lien avec une quantité d'hydrogène (H) particulièrement élevée. À l'inverse, les minéraux riches en FeO (oxyde de ferfer), qui sont des minéraux secondaires et se sont donc formés dans un deuxième temps, montrent un ratio D/H relativement proche de celui des océans terrestres. Ce résultat suggère qu'ils se sont formés dans des conditions différentes, vraisemblablement celles d'un nuagenuage de gazgaz protoplanétaire enrichi en vapeur d'eau.

L'analyse isotopique de l'hydrogène montre donc que deux réservoirs gazeux étaient présents durant la première phase de formation du Système solaire. Les minéraux auraient ainsi enregistré la composition de la nébuleuse solaire, puis celle d'une nébuleuse protoplanétaire fortement enrichie en eau, avec une signature isotopique de l'hydrogène déjà similaire à celle de la future Terre. Ceci durant les 200.000 premières années du Système solaire. Les analyses concernant les isotopes de l'oxygène et de l'azoteazote mènent à des conclusions similaires.

L’eau était déjà présente bien avant la formation des planètes

Le réservoir chimique protoplanétaire, à partir duquel se sont accrétées par la suite les différentes planètes telluriques du Système solaire, était donc déjà formé à ce stade très précoce. La formation de ce réservoir serait due à un afflux massif de matière interstellaire, riche en eau, vers le centre du Système solaire au moment de l'effondrementeffondrement de l'enveloppe interstellaire. L'accrétion de matériel à différents stades de ce mélange permet d'expliquer l'hétérogénéité isotopique rencontrée pour différentes météorites. Les échantillons étudiés montrent qu'ils se seraient formés en premier lieu à partir de matériel solaire, très proche du centre du disque protoplanétairedisque protoplanétaire, avant de continuer leur évolution au niveau du réservoir de gaz planétaire.

Tout cela indique que l’eau composant les planètes telluriques du Système solaire était déjà présente bien avant leur formation.  

L'eau sur Terre aurait été apportée par les comètes finalement

Nouveau rebondissement dans les tentatives pour expliquer l'origine de l'eau des océans. On était arrivé à la conclusion que 10 % tout au plus de cette eau pouvait venir des comètescomètes mais de nouvelles mesures concernant le deutérium dans la comète 46P/Wirtanen viennent de relancer le débat.

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 30 mai 2019

À l'occasion de la spectaculaire mission RosettaRosetta, l'Agence spatiale européenneAgence spatiale européenne (ESA) avait révélé un court métrage tout aussi spectaculaire, Ambition, qui pouvait être vu comme un manifeste transhumaniste mais surtout attirait l'attention du grand public sur le fait que l'eau, si nécessaire à la vie sur Terre, aurait très bien pu être apportée par les comètes. Hélas, les résultats de l'étude de la comète Churyumov-Gerasimenko n'avaient fait que conforter ceux déjà obtenus avec d'autres comètes et semblaient réfuter cette théorie de l'origine de l'eau des océans de la Planète bleue.

Pour comprendre de quoi il en retourne, rappelons qu'il existe actuellement deux classes de théorie sur l'origine de l'eau des océans et elles sont étroitement liées à la cosmogonie du Système solaire.

1. La première, la plus ancienne, avance que l'eau proviendrait du dégazagedégazage du manteau de la Terre pendant l'HadéenHadéen, il y a plus de 4 milliards d'années alors que la température de la Terre était encore élevée. On constate bien aujourd'hui, de fait, que les gaz des volcansvolcans contiennent beaucoup de vapeur d'eau mais il pourrait s'agir de contaminationcontamination ultérieure par l'eau de la Terre. Toujours est-il que les gaz volcaniques primitifs, riches en vapeur d'eau, se seraient refroidis et auraient formé les premiers nuages. La condensation de l'eau aurait ensuite arrosé la Terre sous la forme d'un déluge primitif qui aurait peu à peu formé et rempli les océans.
2. L'autre théorie, de plus en plus étayée par les découvertes des scientifiques, repose sur une origine extraterrestre de l'eau. En effet, la Terre a subi lors de sa formation un intense bombardement météoritique. Comètes de glace et astéroïdesastéroïdes similaires aux météorites de type chondrites riches en eau (des poussières et des micrométéorites peuvent aussi avoir joué un rôle important au début de l'histoire du Système solaire) auraient apporté pendant des millions d'années la précieuse substance bleue dont la Terre aurait été peu pourvue. Ce qui peut favoriser cette hypothèse, c'est qu'il semble bien établi maintenant qu'un océan de magmamagma a existé à la surface de la Terre à ses débuts, à cause notamment de son choc avec Théia, la petite planètepetite planète de la taille de Mars qui expliquerait la formation de la LuneLune. La Terre aurait donc perdu son stock d'eau initial par évaporation (ça se discute), stock qui aurait été renouvelé plus tard.

Bien évidemment, on peut faire remarquer que ces deux hypothèses ne sont pas vraiment indépendantes puisque la Terre provient de l'accrétion de corps rocheux et aussi sans doute de comètes. De fait, l'origine de l'eau est dans les deux cas extraterrestre et remonte aux conditions de formation des corps du Système solaire dans le disque protoplanétaire initial.

La cosmogonie du Système solaire et la cosmochimie de l'hydrogène

Si la dernière théorie sur l'origine de l'eau de la Terre prend du poids et qu'il soit possible qu'une partie de l'atmosphèreatmosphère et de l'eau, issue du dégazage de la Terre, ait été évacuée dans l'espace, il reste vraisemblable que l'eau des océans trouve son origine à la fois dans le dégazage primitif et dans l'espace. Le balancier ne cesse d'osciller entre les deux théories au fil des ans et du renouvellement des données, d'autres modèles cosmogoniques et de nouveaux raisonnements.

On cherche en particulier à départager les théories concernant l'origine cométaire ou astéroïdale de l'eau en utilisant les méthodes et les théories de la cosmochimie, souvent en comparant le rapport d'abondance du deutérium (D) sur l'hydrogène (H) dans les météorites, les comètes et les roches du manteaumanteau de la Terre. Rappelons qu'il existe ainsi deux types d'eau, l'une, ordinaire, est faite d'atomesatomes d'hydrogène H avec un seul proton pour noyau ; l'autre, dite lourde, est faite d'atomes de deutérium D, donc un noyau avec un proton et un neutron.

L'étude des météorites sur Terre - qui proviennent majoritairement de la ceinture principale d'astéroïdes - a permis d'établir qu'en moyenne, le rapport D/H était de l'ordre de 140 ppmppm alors que ce rapport, lorsqu'on l'a déterminé dans certaines comètes, était compris entre 150 et 300 ppm, voire plus élevé encore comme le montre le précédent article de Futura ci-dessous. Comme sur Terre il est d'environ 150 ppm, l'hypothèse cométaire est devenue défavorisée, ou pour le moins, les comètes ne seraient pas, et de loin, la source principale de l'eau sur Terre.

Un fractionnement chimique masquant l'abondance réelle du deutérium ?

Mais voilà qu'une équipe internationale avec des chercheurs du CNRS au Laboratoire d'étude du rayonnement et de la matière en astrophysiqueastrophysique et atmosphères (Observatoire de Paris - PSL/CNRS/Sorbonne Université/Université de Cergy-Pontoise) et au Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Observatoire de Paris - PSL/CNRS/Sorbonne Université/Université de Paris) vient de relancer le débat en publiant un article dans Astronomy & Astrophysics, article en accès libre sur arXiv.

Des chercheurs, comme Dominique Bockelée-Morvan, directrice de recherche CNRS à l'Observatoire de Paris - PSL, y expliquent qu'ils ont tourné le regard infrarougeinfrarouge du fameux avion stratosphérique Sofia (Stratospheric Observatory for Infrared AstronomyStratospheric Observatory for Infrared Astronomy) de la NasaNasa vers la célèbre comète périodique 46P/Wirtanen au moment de son passage au plus près de la Terre en décembre 2018.

Les astrochimistes ont alors fait une découverte étonnante. 46P/Wirtanen fait partie des comètes hyperactives, c'est-à-dire les comètes dont on sait que la quantité d'eau présente dans leur halo est bien trop importante pour venir principalement de la sublimationsublimation de la glace de surface sous l'effet du rayonnement solairerayonnement solaire. Cette quantité est dominée par l'apport de jet de grains de glace provenant de l'intérieur de la comète. Il est aussi possible de définir une sorte d'indice de l'hyperactivité d'une comète exprimant à quel point l'apport dans le halo est dominé par les jets de particules glacées.

Il se trouve que comme dans le cas des rares comètes hyperactives connues, la mesure du rapport D/H est précisément celle des océans terrestres. Mieux, le rapport semble inversement corrélé à l'indice d'hyperactivité, ce qui suggère que toutes les autres comètes avec un rapport élevé et peu actives possèdent en fait dans leur intérieur des glaces avec le même faible rapport D/H.

Les chercheurs avancent donc l'hypothèse que des processus de fractionnement chimique à la surface des comètes ont masqué le vrai rapport D/H de la majorité des comètes, de sorte qu'il est à nouveau envisageable que l'eau de la Terre provient majoritairement des comètes.

L'eau de la comète de Rosetta n'est pas celle de la Terre

Article du Cnrs publié le 11/12/2014

Les premières mesures de l'instrument Rosina, porté par la sonde Rosetta, révèlent un rapport deutérium/hydrogène (ou D/H) de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko très différent de celui de l'eau présente sur Terre. Nos océans viendraient donc plutôt des astéroïdes ou d'autres comètes... Ces résultats indiquent également que les comètes de la famille de 67P ne sont pas originaires d'une unique région, la ceinture de Kuiperceinture de Kuiper. Certaines proviendraient du lointain nuage de Oortnuage de Oort.

Nés il y a 4,55 milliards d'années, les différents corps qui composent le Système solaire (Terre, planètes, astéroïdes et comètes) ont, au départ, été formés à partir du même nuage de gaz et de poussière : la nébuleuse protosolaire. À partir de cette origine commune, ils ont évolué différemment en fonction de leur orbiteorbite, et donc de leur exposition au rayonnement solaire. Très éloignées du SoleilSoleil pendant l'essentiel de leur vie, les comètes n'ont pratiquement pas évolué et constituent les témoins privilégiés des conditions qui prédominaient lors de la naissance du Système solaire. Les compositions isotopiques de leurs principaux constituants sont donc susceptibles de fournir des informations uniques pour décrire les conditions et les processus de la formation du Système solaire, et notamment l'origine de l'eau sur Terre.

Le rapport deutérium/hydrogène (D/H) constitue un marqueur clé pour déterminer l'origine de l'eau sur Terre et comprendre le rôle qu'ont pu jouer les comètes ou les astéroïdes. L'étude détaillée des premiers spectresspectres obtenus par l'instrument Rosina, depuis son arrivée au voisinage de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko, a conduit à une valeur du rapport D/H de 5,3 ±0,7 10^-4. Or, sa valeur de l'eau des océans de la Terre est de 1,55 10^-4.

Ce rapport, fortement enrichi en deutérium par rapport à notre biosphèrebiosphère, ne concordeconcorde donc pas avec les hypothèses qui attribuent une origine cométaire à l'eau présente dans l'atmosphère et les océans terrestres, à l'inverse de ce que laissaient penser d'autres résultats sur les comètes de la famille de JupiterJupiter. La valeur du rapport D/H terrestre étant comprise dans la gamme des rapports D/H des astéroïdes situés entre Mars et Jupiter, l'eau des océans sur Terre pourrait ainsi provenir préférentiellement des astéroïdes et de certaines comètes. Ces résultats importants viennent d'être publiés dans la revue Science Express.

Valeurs des rapports deutérium/hydrogène (D/H) dans différents objets du Système solaire, regroupés par couleur avec les planètes et satellites (bleu), les chondrites de la ceinture d’astéroïdes (gris), les comètes originaires du nuage de Oort (violet) et les comètes joviennes (rose). 67P/Churyumov-Gerasimenko (jaune) possède un rapport D/H différent des comètes de sa famille. © B. Marty, Esa, Altwegg et al.

Rosetta étudie aussi d'autres éléments volatils

Par ailleurs, les réservoirs cométaires sont situés à des distances considérables du Soleil : le nuage de Oort, par exemple, s'étend jusqu'à plus de 100.000 UAUA (100.000 fois la distance Terre-Soleil) et est la source des comètes de longue période telles la célèbre Halley. La ceinture de Kuiper, située entre 30 et 55 UA, est quant à elle connue pour être à l'origine des comètes de la famille de 67P/Churyumov-Gerasimenko qualifiées de « comètes joviennes » car les parties lointaines de leur orbite sont voisines de celle de Jupiter. Selon les nouveaux résultats de Rosina, les comètes de cette famille ne proviendraient pas toutes d'une région source unique, la ceinture de Kuiper. Certaines pourraient provenir en effet du vaste nuage de Oort.

Les chercheurs souhaitent désormais continuer à décrypter la composition chimique et isotopique de l'atmosphère de 67P/Churyumov-Gerasimenko, notamment pour d'autres espècesespèces gazeuses que l'hydrogène, comme les gaz rares ou l'azote. Ces mesures devraient permettre d'explorer en détail l'origine des éléments volatils sur Terre permettant l'apparition de la vie. De nouveaux résultats sont attendus dès la semaine prochaine à l'occasion des rencontres de l'Union américaine de géophysique et aussi courant janvier 2015.