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Genesis révèle les anomalies isotopiques des planètes

ActualitéClassé sous :Astronomie , isotope azote , isotope oxygène

Deux publications dans Science, portant sur les analyses des échantillons de vents solaires rapportés sur Terre par la sonde Genesis, confirment ce que les chercheurs avaient déjà annoncé en 2010. La composition isotopique du Soleil au niveau de l'oxygène et de l'azote n'est pas celle de la Terre et des météorites. C'est une information importante pour comprendre la genèse des planètes.

Une vision d'artiste de Genesis collectant des particules de vent solaire. © Nasa

La composition chimique de l'atmosphère du Soleil, déduite des analyses spectroscopiques, a été comparée à celle de la Terre, de Jupiter, de la Lune et des météorites depuis des dizaines d'années. Bien que l'on ne puisse pas faire de comparaisons au niveau des abondances isotopiques de cette manière, les similitudes de composition indiquaient que tous ces corps s'étaient formés à partir d'un même matériau primitif, un nuage moléculaire et poussiéreux tel que l'on en a observé dans l'espace, par exemple avec Spitzer.

Or, les cosmochimistes savent que de petites différences au niveau des abondances isotopiques peuvent se révéler bavardes au sujet des détails des processus et étapes de la formation et de l'évolution des planètes.

Comme le rappelle l'un d'entre eux, Robert N. Clayton, H. C. Urey a proposé d'utiliser les isotopes de l'oxygène en cosmochimie dès 1934. L'ère moderne de la cosmochimie isotopique de l'oxygène n'a cependant commencé qu'avec l'étude des échantillons lunaires d'Apollo en 1969 et des inclusions réfractaires d'Allende en 1973. Avant, la technologie ne permettait pas de faire des analyses. Les grandes tailles (> 5%) des variations des abondances de 17O/16O et de 18O/16O ont d'abord été interprétées comme des effets de nucléosynthèse, mais on a fini par penser qu'elles proviennent de processus chimiques survenus tôt dans l'Histoire du Système solaire.

Des traceurs de l'histoire du Système solaire

Ainsi les isotopes de l'oxygène fournissent des traceurs naturels pour les processus de formation des corps solides dans le Système solaire interne. En particulier, les isotopes d'oxygène sont très utiles dans la reconnaissance d'associations génétiques entre les groupes de météorites. Ils ont aussi été précieux dans l'étude des processus affectant les corps parents des météorites, tels que le métamorphisme et l'altération aqueuse. Il est conjecturé que la cause ultime des effets isotopiques de l'oxygène proviendrait d'une photodissociation sélective des molécules de CO au début de la formation des planètes.

Montage d'un élément de la sonde Genesis ayant piégé des particules de vent solaire dans un porte-échantillon avant son analyse isotopique. © CRPG/CNRS

Pour tenter de faire la lumière sur tout cela, il fallait déterminer la composition isotopique de l'atmosphère du Soleil, que l'on pense être le reflet fidèle de la composition initiale de la nébuleuse protosolaire. Pour cela, la collecte des particules de vent solaire était une nécessité et c'est ainsi que la sonde Genesis a été lancée. En plus des variations isotopiques  de l'oxygène, les cosmochimistes s'intéressaient aussi à celles des isotopes de l'azote.

Des analyses par spectrométrie de masse

Si la collecte du vent solaire s'est bien passée, on se souvient que le retour sur Terre des échantillons de Genesis a commencé par une catastrophe. Toutefois, la science de Genesis n'a pas été perdue et les analyses ont commencé. Un premier résultat avait été annoncé par les chercheurs dès 2010 à l'occasion d'une publication dans Geochimica et Cosmochimica Acta. Les cosmochimistes publient aujourd'hui dans Science deux articles qui aboutissent à des conclusions similaires.

En France, les chercheurs du Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (CRPG) de Nancy se sont concentrés sur les isotopes de l'azote alors qu'une équipe américaine prenait en charge les isotopes de l'oxygène. Les cosmochimistes français ont ainsi montré que les abondances des isotopes de l'azote solaire sont bel et bien différentes de celles de l'azote terrestre. Ainsi, le Soleil est 60 % plus pauvre en isotope 15N que la Terre. Le même résultat est obtenu lorsque l'on fait la comparaison avec des météorites. Pour les comètes, on aboutit à un désaccord encore plus important puisqu'elles sont enrichies à près de 300 % par rapport à l'azote solaire. En revanche, le rapport 15N/14N du Soleil est similaire à celui de l'atmosphère de Jupiter, déterminé il y a dix ans par la sonde Galileo et confirmé par la sonde Cassini.

Comme on l'a mentionné précédemment, il semble probable que des processus photochimiques, survenus au niveau de la zone actuellement occupée par les planètes internes, sont responsables de ces différences isotopiques.

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