Certains cosmochimistes suspectaient que la Terre et Mars se seraient formées en accrétant des quantités non négligeables de matière provenant des régions où sont nées les planètes géantes. En montrant que ce ne devait pas être le cas, d'autres cosmochimistes ont découvert que ces deux planètes auraient accrété de la matière provenant d'une population disparue de corps célestes n'ayant laissé aucune trace directe sous la forme des météorites de la ceinture principale d'astéroïdes.
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On attribue généralement le terme de cosmochimie à Harold Urey. Le prix Nobel de chimie, passé maître dans la théorie quantique des atomes et des molécules, comme le montre un de ses ouvrages publié en 1930, avait tourné son regard au début des années 1950 en direction d'une théorie de l'origine de la Lune et plus généralement des planètes du Système solaire dans un ouvrage publié en 1952 et que l'on peut justement considérer comme un des points de départpoints de départ de la cosmochimie, en tout cas celui où ce terme a été introduit.
Dans les années qui allaient suivre, avec des collègues, Urey a mené une analyse très étendue pour son époque des abondances des éléments chimiques, en particulier non volatils, dans les météorites, en faisant des comparaisons avec les compositions de l'atmosphèreatmosphère du Soleil et des roches sur Terre, et afin d'en tirer une probable détermination des abondances des éléments chimiques à l'échelle cosmique.
L'article qu'il va publier à ce sujet en 1956 avec Hans Eduard Suess (le petit-fils du géologuegéologue autrichien Eduard Suess) servit d'une des bases au monumental article publié en 1957 par E. Margaret Burbidge, G. R. Burbidge, William A. Fowler, et F. Hoyle. Ce travail fondateur expliquait pour la première fois comment les étoilesétoiles pouvaient synthétiser les éléments chimiques plus lourds que l'hydrogènehydrogène, jusqu'au ferfer et au-delà à partir de la théorie de la nucléosynthèsenucléosynthèse stellaire.
Le Système solaire est un laboratoire pour étudier la formation des planètes géantes et l'origine de la Vie que l'on peut utiliser conjointement avec le reste de l'Univers, observable dans le même but. Mojo : Modeling the Origin of JOvian planets, c'est-à-dire modélisation de l'origine des planètes joviennes, est un projet de recherche qui a donné lieu à une série de vidéos présentant la théorie de l'origine du Système solaire et en particulier des géantes gazeuses par deux spécialistes réputés, Alessandro Morbidelli et Sean Raymond. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Laurence Honnorat
La cosmochimie, une clé de la cosmogonie du Système solaire
La cosmochimie va s'unir au cours des décennies suivantes avec les modèles analytiques et numériquesnumériques de la formation des planètes issus de la mécanique céleste et de la théorie cinétique des gazgaz dans le cadre de la théorie de l'accrétionaccrétion développée initialement par des chercheurs comme le Russe Viktor Safronov et l'États-unien George Wetherill. Il a en a résulté un scénario de la formation des planètes du Système solaire qui dans ses grandes lignes est accepté aujourd'hui, étant en plus soutenu par les observations concernant de jeunes systèmes planétaires en formation. Une bonne présentation en est donnée dans la vidéo ci-dessus qui fait partie d'une série sur ce sujet. Il existe aussi un excellent ouvrage sur la physique et la chimie du Système solaire que l'on peut consulter.
Toutefois, ce scénario se ramifie en plusieurs sous-scénarios possibles selon que l'on cherche à comprendre par exemple l'origine des planètes rocheuses ou des géantes gazeusesgéantes gazeuses, de sorte qu'il reste encore du travail à faire pour vraiment comprendre comment les planètes se sont formées. Avec les nouvelles données disponibles, le balancier oscille entre ces sous-scénarios alors qu'ils se précisent. On en voit un nouvel exemple aujourd'hui avec une publication dans la revue « Science Advances » d'un travail que l'on doit à des chercheurs de l'Université de Münster (Allemagne), de l'Observatoire de la Côte d'Azur (France), du California Institute of Technology (États-Unis), du Natural History Museum Berlin (Allemagne) et l'Université libre de Berlin (Allemagne). Il repose sur une nouvelle détermination plus exacte de la composition des planètes rocheuses que sont la Terre et Mars.
Dans un communiqué, le cosmochimiste Christoph Burkhardt de l'Université de Münster, premier auteur de l'étude, explique le but initial de l'équipe de chercheurs : « Nous voulions savoir si les éléments constitutifs de la Terre et de Mars provenaient du Système solaire externe ou interne ». Il leur a fallu pour cela obtenir une détermination des abondances des isotopesisotopes des métauxmétaux rares dans les couches externes riches en silicatesilicate des deux planètes que sont le titanetitane, le zirconiumzirconium et le molybdènemolybdène en les examinant comme jamais auparavant dans des météorites martiennes en particulier.
Le modèle cosmogonique de la formation du Système solaire fait intervenir un gradientgradient chimique et de température dans le disque protoplanétairedisque protoplanétaire riche en gaz et en poussière où se sont formées les planètes à partir du refroidissement de cette matièrematière qu'avait initialement chauffé le processus d'effondrementeffondrement gravitationnel d'un nuagenuage moléculaire poussiéreux ayant donné naissance au proto-Soleil entouré de ce disque. Proche de l'astreastre central, ce sont les corps rocheux plutôt réfractairesréfractaires et contenant peu d'éléments volatils qui se sont condensés, c'est-à-dire des silicates et des métaux.
Au-delà d'une ligne dite des glaces ou de neige, ce sont des poussières entourées d'un manteaumanteau de glace, d'eau pour l'essentiel, qui vont se condenser, avec des comètescomètes et des météorites carbonées telle la fameuse chondrite d’Allende. C'est donc dans la partie interne du disque protoplanétaire que sont nées les planètes rocheuses et dans la partie externe que sont nées les géantes gazeuses JupiterJupiter et SaturneSaturne, et les géantes de glaces NeptuneNeptune et UranusUranus.
Le gradient chimique se retrouve au niveau des abondances de certains isotopes, de sorte que l'on peut s'en servir comme traceurs pour évaluer dans quel réservoir chimique à une distance donnée du Soleil s'est formé le matériaumatériau composant une météorite, elle-même parfois fragment produit lors d'une collision d'un corps de grande taille comme un embryonembryon de planète ou un planétésimaux (voir les précisions sur ces termes dans la vidéo ci-dessus).
Il y a toutefois des signes de processus de mélange turbulent dans le disque protoplanétaire et d'autres processus laissant penser que de la matière était échangée entre les parties interne et externe de ce disque. C'est sur l'existence et l'importance de ces processus de transfert de matière que les spécialistes débattent beaucoup aujourd'hui. Il y a peu de temps, une étude a même avancé la thèse qu'il existait une discontinuité entre ces deux parties du disque, bloquant les transferts chimiques.
Le travail de Christoph Burkhardt et ses collègues semble compatible puisqu'il conduit à admettre que la Terre et Mars ont été formées principalement à partir de matériaux internes du Système solaire et seulement quelques pourcents des éléments constitutifs de ces deux planètes tout au plus seraient originaires d'au-delà de l'orbiteorbite de Jupiter, en bon accord avec un scénario déjà avancé par George Wetherill.
Rappelons que l'on a de bonnes raisons de penser que la majorité des météorites que l'on trouve sur Terre proviennent de la ceinture d'astéroïdes principaleceinture d'astéroïdes principale entre Mars et Jupiter. Cette ceinture elle-même a été peuplée au cours de l'histoire du Système solaire par des petits corps célestes en provenance aussi bien du Système solaire interne que de sa partie externe, notamment en raison de l'influence gravitationnelle de Jupiter. Les chondriteschondrites non carbonées reflétant la composition du disque protoplanétaire externe au-delà de Jupiter et les chondrites non carbonées celle de la partie interne en deçà.
Des météorites dont la mémoire n'a pas été conservée dans la ceinture principale d'astéroïdes
Il est possible de modéliser la répartition des abondances des isotopes de titane, zirconium et de molybdène dans le disque protoplanétaire ainsi que la manière dont la matière a été accrétée pour former des planètes rocheuses et donc de remonter à l'origine de la matière dans la ceinture d'astéroïdes et de celle composant la croûtecroûte de Mars et de la Terre. Ces modélisationsmodélisations ont été combinées aux données provenant des nouvelles mesures de ces isotopes dans les roches martiennes, le cas de la Terre étant déjà bien connu.
Les cosmochimistes ont alors découvert que les couches rocheuses externes de la Terre et de Mars ont peu de points communs avec les chondrites carbonées du Système solaire externe au niveau des isotopes nouvellement déterminés, ce qui ne peut s'expliquer que si ces planètes se sont formées en étant largement isolées d'apports de matière sous forme de matériaux communs aux chondrites carbonées, contrairement à un scénario qui faisait intervenir une accrétion importante de « cailloux » (pebbles en anglais, comme le montrent le schéma ci-dessous et les explications de Sean Raymond dans la vidéo ci-dessus) formée dans la partie externe du disque protoplanétaire.
La seconde découverte révélée par les isotopes est que la composition de Mars et de la Terre ne se comprend pas non plus en se limitant aux réservoirs chimiques des chondrites carbonées et non carbonées connues. Par contre, elle s'explique bien à partir d'un troisième réservoir décrit par les modélisations du gradient chimique dans le disque protoplanétaire, un réservoir correspondant à la région la plus interne. Des petits corps rocheux présents dans cette partie ne se retrouvent pas dans la ceinture principale d'astéroïdes, mais il semble bel et bien qu'une partie d'entre eux ont été accrétés sur la Terre et Mars.
On peut penser qu'il en est de même pour VénusVénus et MercureMercure même si ces découvertes ne chamboulent pas le scénario classique de la formation des planètes telluriquesplanètes telluriques à partir de collisions d'embryons de planètes rocheuses décrit par Sean Raymond dans la vidéo précédente.
