Une vue d'artiste d'une novae à la surface d'une naine blanche accrétant de la matière dans un système binaire. © Nasa Goddard Space Flight Center, S.Wiessinger

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Un grain de poussière forgé par une nova, retrouvé dans une météorite

ActualitéClassé sous :chimie , Astronomie , NanoSIMS

Une poussière piégée dans une météorite retrouvée en Antarctique a beaucoup de choses à raconter sur son origine et sur celle de notre Système solaire.

Il y a de cela des milliards d'années, bien avant la naissance du Soleil et de ses planètes, un couple d'étoiles achevait sa danse macabre. L'une des deux, une géante rouge, se faisait alors voler le gaz de ses couches externes par sa compagne plus compacte, une naine blanche. Renforcée, celle-ci a connu une série de convulsions caractéristiques d'une nova, des explosions qui ont forgé des poussières riches en carbone et en oxygène et qui furent projetées dans toutes les directions.

L'une d'entre elles -- elles furent sans doute très nombreuses --, aussi grosse qu'une bactérie, a voyagé dans l'espace interstellaire pour finalement entrer, voici 4,6 milliards d'années, dans la nébuleuse qui allait accoucher du Soleil et de ses sœurs. Là, elle s'est fichée dans un agrégat de matière qui, des milliards d'années plus tard, est devenu une météorite (une chondrite carbonée qui a un profil similaire à l'astéroïde Bennu survolé actuellement par la sonde Osiris-Rex) terminant sa course sur Terre, dans le désert blanc de l'Antarctique, presque dans les mains des scientifiques.

C'est un petit grain très chanceux -- un bijou pour les astronomes --, ont fait remarquer les chercheurs qui l'ont étudié. Après un si long périple depuis sa création dans le « feu » des explosions de la naine blanche, il a en effet survécu aux turpitudes du jeune Soleil et à la formation des planètes.

« C'est remarquable quand on pense à tous les chemins qui auraient dû tuer ce grain », commente Tom Zega, directeur scientifique de l'Installation d'imagerie et de caractérisation de matériaux de Kuiper au Lunar and Planetary Laboratory de l'université de l'Arizona, et qui a analysé ce grain présolaire nommé LAP-149, sous la houlette de Pierre Haenecour. Une poussière d'étoile qui leur a appris beaucoup de choses et sur son géniteur (la nova) et sur la matière qui a ensemencé notre Système solaire.

Dans l’encart de l’illustration d’une nova, le grain de poussière étudié par les chercheurs. Une inclusion de silicate riche en oxygène (en bleu) a été identifiée au sein du grain de carbone (en rouge). © Heather Roper, University of Arizona

Un aperçu de l’explosion d’une nova

Ce qui a assuré les chercheurs de son origine extrasolaire est sa composition atomique. Condensé de graphite et de silicate (vraisemblablement dans les 50 à 100 jours après l'explosion de la nova, comme en témoignent des observations), la provenance de ce grain minuscule a en effet été trahie par la présence de l'isotope du carbone 13C.

« Le 13C que nous avons trouvé [...] est enrichi plus de 50.000 fois. Ces résultats fournissent une preuve supplémentaire en laboratoire que les grains de novae riches en carbone et en oxygène ont contribué aux éléments constitutifs de notre Système solaire », souligne l'auteur principal de l'article publié en ligne dans Nature Astronomy et bientôt professeur assistant au Lunar and Planetary Laboratory. Et rien de tel n'a jamais été trouvé dans un corps du Système solaire, précise-t-il, où la « composition isotopique du carbone [...] varie généralement d'un facteur de l'ordre de 50 ».

« Nous sommes faits de poussière d’étoile ! », comme le disait Carl Sagan. Nous, la Terre, les autres planètes et aussi les êtres vivants, ainsi que cette nova, avec d'autres, sont en quelque sorte nos parents. Des parents qui ont enrichi l'univers de leurs cendres et qui, avec l'aide probablement d'une supernova (surnommée Coatlicue) sans qui le Soleil ne se serait pas formé, ont ensemencé le nuage protoplanètaire.

À quand remonte la création de cette poussière ? Impossible de le dire pour les cosmochimistes car, hélas, cet échantillon ne contient pas assez d'atomes. Il en faudrait d'autres et plus gros surtout. Soyons patients. « Si nous pouvions dater ces objets un jour, nous pourrions avoir une meilleure idée de ce à quoi ressemblait la galaxie dans notre région et de ce qui a déclenché la formation du Système solaire », relève Tom Zega.

  • La composition chimique, plus précisément les rapports des abondances des isotopes de certains éléments, permet de faire de la cosmogonie et de remonter aux conditions durant lesquelles sont nés les objets qui contiennent ces rapports.
  • L'étude conjointe des météorites, des étoiles et du milieu interstellaire permet de comprendre les relations complexes qui les lient.
  • Les grains présolaires sont des poussières réfractaires et particulièrement résistantes où la composition isotopique permet de remonter aux explosions d'étoiles, novae ou supernovae qui en sont à l'origine.
  • Un grain de poussière produit par l'explosion d'une nova a été identifié dans une météorite retrouvée en Antarctique.
Pour en savoir plus

Les météorites gardent la trace des éruptions de novae

Article de Laurent Sacco publié le 5 mars 2019

Certains grains de poussières particulièrement résistants dans les météorites ne se sont pas formés avec le Système solaire. Leur composition permet de remonter aux étoiles qui les ont synthétisés, comme par exemple certaines explosions récurrentes de naines blanches, c'est-à-dire des novae.

Depuis des milliards d'années dans la Voie lactée, des étoiles naissent dans des nuages moléculaires géants, denses et froids, qui s'effondrent gravitationnellement lorsque certaines conditions sont remplies. Ces nuages se fragmentent en cœurs plus denses comme par exemple en globule de Bok, des concentrations de gaz à une dizaine de kelvins contenant quelques dizaines de masses solaires et environ 1 % de poussières silicatées.

Dans ces cœurs, le processus d'effondrement et de fragmentation peut se poursuivre donnant des étoiles généralement binaires, au moins initialement, et parfois multiples. Ces processus, lors de la formation d'une protoétoile et d'un disque protoplanétaire, compriment gravitationnellement le mélange de gaz et de poussières qui s'échauffe, vaporisant les grains entourés d'une gangue de glace. Le disque protoplanétaire finit par se refroidir et de nouvelles poussières naissent, qui vont permettre à la formation des planètes de se produire.

C'est ce qui s'est passé dans le cas du Système solaire. Toutefois, certains grains présolaires que l'on peut trouver dans les météorites et les comètes sont particulièrement réfractaires et résistants, de sorte qu'ils ont survécu en gardant la mémoire de leur naissance, antérieure à celle du Soleil. Les cosmochimistes ont entrepris de les faire parler pour qu'ils livrent en détail leurs odyssées dans le milieu interstellaire. Ce milieu fait partie d'un cycle dans lequel des étoiles naissent dans les nuages moléculaires, éjectent des poussières qu'elles fabriquent en fin de vie, ainsi que les noyaux lourds que la nucléosynthèse stellaire a produit, à l'occasion des évènements violents que sont les novae et les supernovae.

Une présentation des recherches sur les grains présolaires. 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 ». © Field Museum

Les grains présolaires, une mémoire de l'histoire des étoiles

Deux cosmochimistes et astrophysiciens états-uniens ont uni leur force pour percer les secrets de grains de carbure de silicium (silicon carbide, en anglais, voir la vidéo ci-dessus) que l'on a trouvé dans certaines météorites comme celle de Murchison. Il s'agit de grains présolaires et comme l'expliquent Maitrayee Bose et Sumner Starrfield, de l'université de l'Arizona, dans un article en accès libre sur arXiv, ils ont pu relier les rapports d'abondance de certains isotopes dans ces grains, en l'occurrence 12C / 13C, 14N / 15N et 26Al / 27Al à des explosions de certaines novae particulières. Cela les a conduits au passage à affiner et réviser les modèles de ces explosions se produisant à répétition à la surface de naines blanches. Et, dans le cas présent, celles composées surtout d'oxygène et de carbone avec des masses comprises entre 0,6 à 1,35 masse solaire.

Rappelons que les novae ne sont pas des supernovae. Comme dans le cas des SN Ia, on a bien une naine blanche accrétant de la matière arrachée à une étoile compagne (une géante rouge dont les couches externes dilatées ont débordé un lobe de Roche) par des forces de marée. Mais, alors que l'apport de masse finit par atteindre la masse limite de Chandrasekhar, entraînant sa déstabilisation et une explosion qui détruit totalement la naine blanche, l'allumage de réactions thermonucléaire en surface conduit à des détonations qui laissent subsister la naine blanche.

Les grains de carbure de silicium font partie des particules les plus résistantes pouvant être extraites d’une météorite. On voit ici quatre de ces grains extraits de la météorite de Murchison. La largeur d'un cheveu humain moyen est environ mille fois plus grande que la barre d'échelle de 100 nm sur ces photographies prises avec un microscope électronique. © Amari et al. (1994) Geochimica et Cosmochimica Acta 58, 459-47

Comme l'explique la cosmochimiste Maitrayee Bose : « Chaque grain de carbure de silicium porte la signature de la composition isotopique de son étoile mère. Cela permet de remonter à la nucléosynthèse qui s'est produite dans cette étoile - comment elle a fabriqué des éléments. »

Certains des grains présolaires qu'elle a étudiés avaient une composition qui ne reflétait aucun scénario connu de synthèse dans une explosion de novae. Son collègue astrophysicien nucléaire a donc dû se gratter la tête sur les modèles numériques d'explosions de ces étoiles et de la fabrication des poussières qui les accompagnent. Si les novae contenant beaucoup d'oxygène et de néon dans les éjecta produits ne pouvaient pas expliquer les observations, il s'est avéré que celles contenant de l'oxygène et du carbone le pouvaient, pourvu qu'on admette que les explosions de ces novae récurrentes étaient tout de même assez puissantes pour qu'une partie du cœur des naines blanches remonte en surface.

Toutefois, parmi les 30 grains présolaires atypiques étudiés par Bose, seulement cinq ont maintenant une composition qui colle avec les nouveaux modèles développés par Starrfield.

« Nous devons maintenant expliquer les compositions des grains qui ne proviennent pas d'explosions de novae. Cela signifie qu'il existe une source stellaire complètement nouvelle ou des sources à découvrir », conclut Bose.


Météorite de Murchison : le soufre des supernovae est bien là !

Article de Laurent Sacco publié le 24/01/2012

On savait déjà qu'une supernova était à l'origine de la formation du Système solaire. Des molécules soufrées dont on avait prédit qu'elles devaient se former dans les éjectas de ces explosions d'étoiles le confirment à nouveau en laissant des traces découvertes dans la célèbre météorite de Murchison.

Avec Allende et les shergottites comme celles de la météorite martienne de Tissint, la météorite tombée le 28 septembre 1969 près du village de Murchison en Australie (à une centaine de kilomètres au nord de Melbourne) est probablement l'une des plus médiatiques. La météorite de Murchison est d'abord connue pour contenir des acides aminés ainsi que d'autres composants organiques. Cela fait donc d'elle une star de l'exobiologie.

Mais elle nous renseigne aussi sur la formation du Système solaire. Ainsi, une équipe internationale de chercheurs vient d'annoncer qu'en utilisant un nanoSims (Secondary Ion Mass Spectrometer) elle avait pu mesurer des abondances isotopiques bien particulières dans des grains rares présents dans la météorite de Murchison. Ces abondances isotopiques ne s'expliquent bien que si l'on fait intervenir une explosion de supernova ayant injecté de la matière dans la nébuleuse protosolaire, il y a environ 4,5 milliards d'années.

Un échantillon de la météorite de Murchison. © wikipédia-Basilicofresco

Les grains analysés sont formés essentiellement de carbure de silicium et leurs tailles varient entre 0,1 et 1 micromètre. Ils ne constituent qu'environ un cent millionième de la masse des fragments de la météorite de Murchison récupérés.

Des grains présolaires enrichis en molécules soufrées

Les cosmochimistes y ont découvert des isotopes du silicium et des isotopes du soufre. Les rapports d'abondance mesurés ne cadrent pas avec ceux prédits par la nucléosynthèse calme dans les étoiles standard mais ils correspondent bien avec ceux que l'on peut prédire dans les environnements associés aux supernovae, notamment par l'intermédiaire  de molécules soufrées se formant dans les éjectas produits par ces explosions d'étoiles. En outre, comme il est expliqué dans un article, les chercheurs ont aussi découvert des produits de désintégration du titane radioactif produit par les supernovae, ce qui renforce leur conclusion.

On disposait de modèles prédisant la formation de molécules de sulfure de silicium à des températures de plusieurs milliers de degrés dans les éjectas de supernovae, quelques mois après l'explosion. Ces molécules se seraient ensuite retrouvées piégées dans les grains présolaires injectés dans la nébuleuse protosolaire juste avant son effondrement, causé par l'onde de choc de la supernova. Jamais encore observées, même dans l'espace, elles se retrouvent donc aujourd'hui dans la météorite de Murchison.

Un grain présolaire contenant les isotopes de silicium et de soufre traduisant une origine remontant aux éjectas d'une supernova. © Peter Hoppe, MPI for Chemistry
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