Voici quelques semaines, après examen de roches terrestres âgées de 3,3 milliards d'années qui ont piégé des bulles d'air de l'atmosphèreatmosphère de cette période, une équipe de chercheurs, sous l'impulsion de Bernard Marty (CRPG-CNRS et université de Lorraine), signait une étude dans Nature Communications sur le xénon échantillonné (voir article plus bas). Pour eux, le rapport des différents isotopes de ce gaz rare trahit une participation des comètes dans la constitution de l'atmosphère.

Dans un article dont il est l'auteur principal et qui vient de paraître dans la revue Science, Bernard Marty apporte de son côté de nouveaux éléments qui renforcent cette hypothèse. Pour leurs recherches, lui et son équipe se sont directement intéressés au suspect, une comète... Il y a du choix dans notre Système solaireSystème solaire mais, évidemment, aucune n'a jamais été approchée d'aussi près que Tchouri, de son vrai nom 67P/Tchouryumov-Gerasimenko (67P/TT-G). Pour rappel, deux années durant RosettaRosetta l'a épiée sous toutes les coutures, lui tournant autour à des distances variables jusqu'à la fin de sa mission, en septembre 2016.

Quelques mois avant qu'elle ne s'écrase, à la mi-mai 2016, la sonde européenne l'avait survolée presque en rase-motte, jusqu'à 5 km au-dessus de sa surface sombre et glacée. Un vol périlleux vivement souhaité par Kathrin Altwegg, en charge de l'instrument Rosina (Rosetta OrbiterOrbiter Spectrometer for IonIon and Neutral Analysis), mais qui avait donné des sueurs froides aux opérateurs (le risque était grand que Rosetta soit alors désorientée). Pour l'astrophysicienne de l'université de Berne, le but était d'en profiter pour mesurer l'abondance de différents isotopes de gaz rares, comme le kryptonkrypton et le xénon. Résultat : un succès ! La comète a parlé.

Pourquoi s’intéresser au xénon ?

Pourquoi ces archéologues du passé du Système solaire (et donc de la Terre) s'intéressent-ils autant au xénon, un gaz noble qui compte aujourd'hui pour moins d'un milliardième du volumevolume de l'atmosphère terrestre ? Justement, parce que ce gaz neutre est chimiquement inerte, n'interagissant avec rien, et parce que « le xénon est le gaz noble lourd le plus stable et peut-être le plus important en raison de ses nombreux isotopes qui proviennent de différents processus stellaires : chacun fournissant une information supplémentaire sur nos origines cosmiques » explique Bernard Marty.

Ainsi, selon la quantité de neutronsneutrons, les chercheurs peuvent inférer de quelle fin d'étoileétoile ils sont issus. « À chaque fois, à chacune de ses origines, le xénon hérite d'une signature particulière. » Les plus légers, ¹²⁴Xe et ¹²⁶Xe, sont formés lors d'explosion de supernovaesupernovae. Ceux de massemasse intermédiaire, ¹²⁷Xe, ¹²⁸Xe, ¹²⁹Xe, ¹³⁰Xe, ¹³¹Xe et ¹³²Xe, proviennent, eux, du lent déclin en géante rougegéante rouge d'étoiles de masses comprises 0,6 et 10 fois celle du SoleilSoleil. Et, enfin, les plus lourds, ¹³⁴Xe et ¹³⁶Xe, sont le produit de la fusionfusion de deux étoiles à neutronsétoiles à neutrons.

Illustration de la Terre à la période de l’Archéen. L'atmosphère et les océans ne sont pas ceux d'aujourd'hui. © Nasa, GSFC, Francis Reddy

Un lien de parenté entre comètes et atmosphère terrestre

Les plus légers n'ont pas pu être relevés sur le noyau de la comète car en trop faibles quantités. En revanche, les seconds, entre ¹²⁸Xe et ¹³²Xe, ont bien été identifiés, de même que les plus lourds. Toutefois, fait remarquer le chercheur, « le xénon de Tchouri est appauvri en isotopes lourds ¹³⁴Xe et ¹³⁶Xe par rapport à celui que l'on trouve couramment dans notre Système solaire ». Celui qui a été piégé lors de la formation de la comète aurait donc « une origine externe au Système solaire »...

Le mélange des isotopes de xénon présents aujourd'hui dans notre atmosphère montre une abondance plus élevée pour les plus lourds par rapport aux légers. Mais, naturellement, cela ne reflète plus le rapport qui existait dans un lointain passé, il y a plus de 3,5 milliards d'années, une partie des plus légers s'étant évadée dans l'espace. Depuis les années 1970, les chercheurs ont eu recours aux simulations qui prennent en compte ces pertes. La composition théorique qui les compense exactement a été baptisée U-xénon. Elle renfermerait une proportion en isotopes légers similaire à celle de nombreux astéroïdesastéroïdes et à celle du vent solairevent solaire, mais les isotopes lourds y seraient en quantités plus faibles. C'est pour cette raison que les astrochimistes « ont longtemps soupçonné que le xénon dans l'atmosphère primitive de la Terre pourrait avoir une origine différente du mélange moyen de ce gaz noble trouvé dans le Système solaire » raconte Bernard Marty.

Encore une fois, ce cocktail capté par la Terre semblait d'une origine différente de celle du reste du Système solaire. « Un appauvrissement unique » qu'on ne retrouve que dans les comètes et sur notre planète. Ce qui renforce l'idée que ces corps errants ont contribué, à cette période (l'ArchéenArchéen), à la constitution de notre atmosphère. D'après les analyses par Rosina du xénon émis par le noyau cométaire, conservé dans ses glaces depuis sa formation, la part de ces astresastres s'élève à 22 %. Le reste ayant été apporté par les astéroïdes de la Ceinture principale.

Illustration de la nébuleuse protosolaire, il y a 4,6 milliards d’années. © ESA, CC BY-SA IGO 3.0

Des disparités dans la nébuleuse primitive

Cela pointe une inhomogénéité de la nébuleusenébuleuse protosolaire déjà mise en évidence à travers de précédentes recherches avec Rosina quant aux mélanges d'isotopes de siliciumsilicium. « Cette conclusion est conforme aux mesures antérieures effectuées par Rosetta, y compris les détections inattendues de l'oxygène moléculaire (O₂), du disoufre (S₂) et le rapport élevé du deutérium-hydrogènehydrogène observé dans l'eau de la comète » rappelle Kathrin Altwegg.

Enfin, le chercheur du Centre de recherches pétrographiques et géochimiques et son équipe expliquent qu'il n'y a pas de contradiction entre ces résultats et ceux qui excluent les comètes pour l'origine de l'eau terrestre. Parce que les quantités de xénon sont infiniment plus faibles relativement à toute l'eau des océans... Les comètes ont pu avoir un effet sur l'atmosphère sans pour autant influencer significativement la composition de l'eau.

L'origine de l'atmosphère primitive révélée par le xénon 

Article de Xavier DemeersmanXavier Demeersman publié le 22/05/2017

Des échantillons de roches de plus de trois milliards d'années ont fourni un aperçu de l'atmosphère terrestre à cette période. La composition isotopique du xénon renforce l'hypothèse que des comètes auraient contribué à sa formation.

L'origine de l’eau sur Terre est une vieille lunevieille lune pour les scientifiques. Vient-elle majoritairement de la chute de comètes et d'astéroïdes ou plutôt des entrailles de la Planète bleue ? Idem pour la vie : des ingrédients prébiotiquesprébiotiques ont-ils été apportés par des comètes ou bien ne se sont-ils formés que dans la soupe primitive ? Pour l'atmosphère également, la contribution de corps extraterrestres est possible mais pas prouvée.

Dans une étude qui vient de paraître dans Nature Communications, une équipe internationale emmenée par Guillaume Avice du CRPG (Centre de recherches pétrographiques et géochimiques) et de l'université de Lorraine (Nancy) sous l'impulsion du professeur Bernard Marty, également du CRPG, apporte quelques éléments de réponse pour la question de l'atmosphère terrestre. Leurs résultats de l'analyse de roches très anciennes renforcent l'hypothèse d'une origine cométaire.

La vie sur Terre est-elle vraiment apparue dans les océans ?

Le noyau de la comète Tchouri photographié par la sonde Rosetta qui l’a épié durant deux ans. Étudier ces corps célestes venus des confins glacés du Système solaire et considérés comme de véritables fossiles de sa formation est une occasion pour les chercheurs d’en savoir plus sur nos origines. © ESA, Rosetta, MPS for OSIRIS Team MPS, UPD, LAM, IAA, SSO, INTA, UPM, DASP, IDA

Un parfum de l’atmosphère primitive

Pour avoir un aperçu de l'atmosphère qui régnait sur Terre il y a plus de trois milliards d'années, les chercheurs ont regardé par la fenêtrefenêtre de minuscules bulles d'eau piégées dans des quartzquartz trouvés dans des forages en Afrique du Sud. Parmi les composés, le xénon, et plus précisément les proportions de ses différents isotopes, les a mis sur la piste.

En effet, quand la future Terre se formait par accrétionaccrétion, elle n'a pu retenir les éléments les plus volatils, notamment les gaz rares comme le xénon. Leur présence au sein de la planète implique donc des dotations tardives, venues de l'espace. Le Soleil et les météoritesmétéorites ont pu contribuer à enrichir en gaz rares le manteaumanteau de la jeune Terre en formation. La composition du cocktail d'isotopes devrait permettre, comme une empreinte digitaleempreinte digitale, de retrouver la source. Mais cette analyse ne conduit qu'au « paradoxe du xénon » : la Terre a trop de versions lourdes de cet élément, comparativement au « Q-Xe » (le chondritique, donc celui des astéroïdes) et le « SW-Xe » (celui du vent solaire). Ce qui a amené les scientifiques à postuler un mystérieux « U-Xe » (peut-être pour unknown, inconnu), purement théorique.

« Nous avons mesuré la quantité et l'abondance isotopique du xénon dans l'air datant de 3,3 milliards d'années avec une précision inégalée », assure l'auteur principal. C'est une façon idéale pour découvrir d'où vient l'atmosphère ». Selon ces chercheurs, leur analyse montre que la source de xénon correspond bien à ce U-Xe théorique et que les comètes ont pu assurer cet apport lors de la fin de l'accrétion.

Record : une pierre de 4,4 milliards d’années découverte en Australie

« La raison pour laquelle les océans et l'atmosphère existent est que les substances volatiles ont été ajoutées après que la Terre se soit formée, explique Ray Burgess, de l'École des sciences de la Terre et de l'environnement à Manchester, coauteur de l'étude. Le puzzle consiste à identifier d'où proviennent les éléments volatils et les objets qui ont pu les apporter ».

La difficulté principale que rencontrent les chercheurs est que leurs traces ont été souvent effacées, malaxées par les « processus géologiques au cours de la longue histoire géologique de la Terre ». Grâce aux échantillons de roches de la région de Barberton, datant de 3,3 milliards d'années, et plutôt bien conservés, ils ont donc pu « goûter » à la chimiechimie de l'atmosphère de cette période (mésoarchéen) et inférer que les comètes ont bien pris part à sa constitution.

Stardust démontre l'influence des comètes sur notre atmosphère

Article de Jean Étienne publié le 09/01/2008

Il y a près de deux ans, la sonde américaine StardustStardust ramenait sur Terre des échantillons de poussière de la comète 81P/Wild 2, collectés durant un voyage au long courslong cours de huit années à travers le système solaire. Des équipes françaises ont participé à leur analyse.

Recueillir ces grains de matièrematière représentait un défi à l'heure où la technologie restait hasardeuse pour un rendez-vous en douceur avec un de ces astres chevelus, un prélèvement de matière et un retour sur Terre. Aussi l'option choisie fut-elle toute différente : un passage rapide de Stardust, équipé d'un piège à particules, à travers la chevelure de la comète au sein de laquelle de telles poussières abondent.

Ce piège à particules était formé d'aérogelaérogel de silicesilice au sein duquel les grains devaient s'engluer, l'ensemble revêtant l'aspect d'une raquette ensuite protégée dans une coque revêtue d'un bouclier thermique en vue de son retour sur Terre. La mission a parfaitement réussi.

Le noyau de la comète Wild 2 vu par Stardust. Crédit Nasa

Parmi les équipes bénéficiaires de ces échantillons, on relève le Centre de recherches pétrographiques et géochimiques de Nancy (CRPG, CNRS), dont Bernard Marty et ses collègues américains des universités du Minesota, de Berkeley et du Lawrence Livermore National Laboratory publient les premières analyses cette semaine dans la revue Science.

La comète 81P/Wild 2 avait été choisie parce qu'elle ne s'est approchée du Soleil que récemment et son matériaumatériau a donc été peu exposé à autre chose que l'environnement qui l'a vu naître il y a 4,56 milliards d'années au-delà de l'orbiteorbite de NeptuneNeptune. Un des objectifs de l'expérience était l'analyse des gaz rares (héliumhélium et néonnéon) qu'elle renferme, et qui sont des indicateurs privilégiés de l'origine et des processus d'évolution des systèmes naturels, y compris le système solaire.

Autopsie d’une comète

Ces gaz rares font partie intégrante de la matière des noyaux cométaires, constitués de grains de silicatesilicate, de métauxmétaux, de matière organique, le tout mélangé à de la glace d'eau, de monoxyde de carbonemonoxyde de carbone et de méthane, entre autres. Ayant pu piéger de nombreux composés volatils, ils sont souvent considérés comme les fossilesfossiles de notre système planétaire.

Mais l’analyse de ces éléments se heurtait à de nombreuses difficultés. La rencontre entre Stardust et l'environnement de la comète s'étant produite à environ 6 kilomètres par seconde, les grains ont littéralement explosé lors de leur entrée dans l'aérogel et ont intensivement dégazé, y creusant un tunnel s'évasant en profondeur.

Microphotographies de traces de pénétration de particules cométaires.
© Nasa

Une première série d'analyses a été effectuée au CRPG de Nancy, sur des échantillons de l'aérogel provenant des parois des cavités. Ceux-ci ont été fondus sous vide poussé au moyen d'un laserlaser infrarougeinfrarouge, puis les gaz obtenus ont été analysés par spectrométrie de massespectrométrie de masse. Les données ont ensuite été corrélées à celles obtenues au départ d'aérogel vierge. Les résultats démontrent un excès en hélium et en néon dont les valeurs isotopiques attestent d'une origine extraterrestre.

Une deuxième série d'analyses a été conduite à l'université du Minnesota au moyen d'un micro-four, montrant des proportions similaires et confirmant les premières mesures. Celles-ci apportent cependant un élément nouveau : les gaz ainsi formés sont inclus dans des phases réfractairesréfractaires, c'est-à-dire formées à haute température, et non dans les glaces du noyau comme on le pensait à l'origine. La composition isotopique de ces gaz rares s'apparente beaucoup plus à celle des météorites qu'à celle de la nébuleuse primitive ayant donné naissance à notre étoile.

Des gaz rares en d’énormes quantités

Les analyses des échantillons par d'autres équipes ont indiqué la présence d'olivineolivine, de métal, de pyroxènepyroxène, sous des phases ne pouvant se former qu'à très haute température près d'un Soleil naissant, avant d'être intimement mélangés à de la glace aux confins du système solaire.

Grain de poussière cométaire essentiellement composé de silicates dégagé de l'aérogel.
© Nasa

La proportion importante de gaz rares découverte dans la matière de 81P/Wild 2 ne trouve d'équivalent que dans certaines poussières interplanétaires, ce qui suggère qu'une importante fraction de celles-ci, dont des échantillons sont fréquemment prélevés dans la haute atmosphère par la NasaNasa, ont une origine cométaire.

Cette constatation confirme l'hypothèse selon laquelle les comètes auraient enrichi les planètes du système solaire intérieur en éléments volatils au cours de leur formation, comme lors du dernier bombardement intense qu'ont connu la Terre et la Lune voici 3,8 milliards d'années.