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Le Nébulotron synthétise des composés organiques de la nébuleuse primitive

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Au sein du Nébulotron, un réacteur plasma, des chercheurs tentent de reconstituer l'ambiance régnant lors des premiers temps du Système solaire. L'objectif : fabriquer des composés organiques à partir de mélanges de gaz judicieusement choisis et ionisés. Les composés produits sont comparés avec les composés trouvés dans les échantillons extraterrestres. Les premiers résultats montrent que la synthèse des composés organiques primordiaux a pu avoir lieu à des températures élevées (500-1.000 K) dans des régions de la nébuleuse protosolaire suffisamment ionisées pour initier la synthèse organique.

Illustration d’une très jeune étoile et de son disque protoplanétaire fragmenté en anneaux où des planètes sont en train de se former. L’image fait écho à ce qui a été observé directement par Alma autour de la très jeune HL Tauri et prédit par les simulations numériques. © Eso, L. Calçada

Les composés organiques extraterrestres, majoritairement insolubles, ont été identifiés dans la plupart des objets primitifs du Système solairemétéorites 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 atmosphères 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 nébuleuse 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'hydrogène et de l'azote, 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 solides 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 physiques 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'ionisation 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'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 photons du Soleil jeune (ou du milieu interstellaire) ou avec les électrons libres issus de la photo-ionisation des espèces gazeuses. Ces composés organiques riches en gaz rares ont par la suite pu être dispersés dans le disque d'accrétion par des processus de turbulence ou de sédimentation, 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.