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La mémoire des Zircons : une clé de l'histoire des planètes

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Les météorites sont des objets particulièrement passionnants et une des mémoires de l'histoire de l'Univers. Les cosmochimistes le savent bien et ils consacrent de nombreux travaux, comme celui effectué par Gopalan Srinivasan et publié dans Science, pour explorer grâce à elles les archives du système solaire. L'analyse récente que Srinivasan vient d'effectuer avec ses collègues porte sur les zircons des eucrites et elle permet de préciser la date de différenciation des astéroïdes et des planètes telluriques.

Une Eucrite (Crédit :J. Kurtzmen).

Il existe une grande variété de météorites et pour mettre un peu d'ordre dans celle-ci, on a distingué trois grandes catégories. Il y a les pierreuses, les métalliques et enfin les intermédiaires que l'on appelle mixtes. Selon l'interprétation aujourd'hui admise, ces différences de compositions minéralogiques reflètent des conditions de formation et d'évolution différentes pour les corps du système solaire.

Les pierreuses, de loin majoritaires, sont elles-mêmes réparties selon deux grands groupes : les chondrites et les achondrites.

  • Les chondrites sont des météorites primitives n'ayant quasiment pas changé depuis la formation du système solaire il y a 4,566 milliards d'années. Elles doivent leur nom à la présence de chondres, des petites sphérules de 0,1 à 10 mm de diamètre que l'on ne trouve pas dans les roches terrestres, et principalement constituées de minéraux silicatés tels l'olivine et le pyroxène. Le tout est réuni dans une matrice finement cristallisée contenant un peu de fer, parfois des inclusions réfractaires blanchâtres riches en calcium et aluminium, et dans le cas des chondrites carbonées, une forte proportion d'eau et de carbone.
  • Les achondrites sont, elles, dépourvues de chondres. Elles proviennent de la croûte ou du manteau d'un astéroïde de grande taille et elles ont vraisemblablement subi une cristallisation à partir d'un magma. Par leur texture, leur composition minéralogique et chimique, elles ressemblent à certains basaltes terrestres. Parmi elles, les météorites SNC (Shergottites, Nakhlites, Chassigny) sont particulières et pourraient provenir de la planète Mars.
     
Crédits : Stephane Erard et Aurélie Le Bras (obspm.fr).

Les météorites étudiées à l'Université de Toronto, et trouvées en Antarctique, sont des  achondrites, précisément des eucrites, et de ce fait, on pense qu'elles viennent de l'astéroïde Vesta dont la taille est d'environ 550 km. Pour des corps aussi gros, un processus similaire à celui qui s'est produit sur Terre très tôt dans son histoire a dû arriver.

La quantité d'éléments radioactifs initialement présents a été suffisante pour chauffer fortement l'astéroïde, provoquer sa fusion partielle et ainsi la formation d'un noyau ferreux en son centre avec un manteau tout autour donnant lieu à des processus magmatiques et volcaniques. Lors de collisions violentes, certains de ces astéroïdes ont été pulvérisés sous le choc  et ce serait là l'origine des météorites métalliques et mixtes selon qu'elles soient constituées d'un alliage fer-nickel, comme les sidérites, ou d'un mélange de ce dernier avec d'autres minéraux, comme pour les pallasites.

Dans ce dernier cas, on observe des cristaux d'olivines noyés dans le métal. On pense qu'il s'agit d'un échantillon de la couche présente à l'interface du noyau et du manteau de ces gros astéroïdes. Le même type de roches se retrouve très probablement à cette même interface sur Terre.

La datation de la différenciation

Un des problèmes centraux de l'histoire du système solaire est bien sûr celui de sa chronologie, en combien de temps les planètes se sont-elles formées et différenciées ?

Pour répondre à ces questions, l'étude des isotopes, et des réactions de désintégrations radioactives les reliant, est un moyen très puissant pour retracer les différentes étapes de l'évolution des corps du système solaire. En l'occurrence, c'est par l'intermédiaire de l'étude des zircons.

Le zircon est un minéral du groupe des silicates, plus précisément des nésosilicates, et sa formule chimique est ZrSiO4. Il apparaît comme l'un des produits précoces de la cristallisation primaire des roches magmatiques et il est particulièrement stable ce qui fait que non seulement il traverse de grandes périodes de temps sans être altéré mais surtout, il conserve intacte la quantité d'isotopes qu'il contenait lors de sa formation, avec bien sûr les produits de désintégrations radioactives. On peut donc dater fidèlement et précisément des zircons.

C'est ce qu'ont fait Gopalan Srinivasan et ses collègues en utilisant la microsonde à ions du Swedish National Museum. Il faut savoir que le hafnium 182 se désintègre en tungstène 182 avec une demi-vie de 9 millions d'années environ. En étudiant l'abondance du tungstène 182 dans les zircons des eucrites, les chercheurs ont donc déterminé que ceux-ci s'étaient formés moins de 10 millions d'années après la naissance du système solaire.

Jusqu'à présent, la petite taille de zircons retrouvés, qui avaient été fortement fragmentés par les collisions ultérieures, n'avait pas permis d'avoir une telle précision sur la date de différenciation des gros astéroïdes. Comme il s'agit  très probablement aussi de celle des planètes nous avons donc maintenant une datation plus sûre du même processus sur Terre.

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