Une vue d'artiste de la mission Europa Clipper qui devrait être lancée au cours de cette décennie à destination d'Europe, la lune de Jupiter. © Nasa, Jet Propulsion Laboratory-Caltech
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La Nasa explore les mystères de la glace cosmique avec des neutrons

ActualitéClassé sous :chimie , Astronomie , Biologie

La glace amorphe ne se rencontre pas sur Terre, en dehors des laboratoires, mais bien à la surface des poussières cosmiques ou des planètes glacées du Système solaire. Elle y est le lieu d'une chimie prébiotique que l'on veut comprendre pour élucider le mystère de l'origine de la vie.

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[EN VIDÉO] Voyage autour d'une jeune étoile à la découverte de la formation de la glace  Cette animation vidéo montre la formation d'un disque protoplanétaire autour d'une très jeune étoile, elle-même en pleine croissance. Abondante dans la nébuleuse-pouponnière, l'eau s'étale dans ce qui deviendra un système planétaire, se fixant sous forme de glaçons, lesquels formeront plus tard des croûtes de glace et des comètes. 

L’eau est une des substances les plus étranges de l’Univers observable. Elle se dilate quand elle gèle, contrairement à la majorité des liquides, se comporte comme un solvant presque universel et bien sûr elle est nécessaire à la vie, au moins celle que nous connaissons sur Terre. On arrive jusqu'à un certain point à reproduire une partie de ses propriétés en faisant de savants et complexes calculs sur ordinateur avec l'équation de Schrödinger. Mais des expériences restent indispensables pour percer tous ses secrets.

On sait notamment qu'elle peut exister sous différentes phases une fois solidifiée et qu'il existe donc plusieurs types de glace d'eau comme l'ont montré les expériences initiées par un des pionniers de la physique des hautes pressions, le physicien P. W. Bridgman. Il a contribué à l'extension de notre connaissance des types de glaces en fabriquant, en 1912 d'abord les glaces V et VI, puis, en 1937, la glace VII. Avant lui, la première glace découverte par l'humanité, celle des glaciers et de la neige, avait été classifiée au début du XXe siècle par Gustav Tammann, sous l'appellation de « glace Ih » (la lettre « h » indique qu'elle fait partie des cristaux dont la maille cristalline est hexagonale). Tammann a aussi découvert les glaces de types II et III.

Il se trouve qu'il existe un type de glace qui contrairement aux autres n'est pas cristallisée et qui pour cette raison est appelée glace amorphe. Elle se forme a contrario des premières à des pressions quasi nulles, c'est-à-dire dans un vide poussé tel que celui du milieu interplanétaire et surtout interstellaire, à très basse température. Cette glace amorphe entoure les grains de poussière des nuages interstellaires et on sait que se produisent dans cette glace des réactions chimiques prébiotiques.

On a de bonnes raisons de penser également que certaines des glaces planétaires dans le Système solaire sont amorphes, par exemple probablement au niveau de certains cratères lunaires ou sur les lunes glacées de Jupiter telle Europe. Explorer la physique et la chimie de ces glaces dans les conditions reproduisant celles de la surface de ces lunes ou dans les nuages moléculaires froids et poussiéreux pourrait donc être riche en enseignements pour l’exobiologie.

Les scientifiques ont créé cette glace exotique en gelant un flux de molécules d'eau lourde (D2O) sur une plaque de saphir qui est refroidie à environ 25 kelvins dans une chambre à vide. © ORNL, Geneviève Martin

Les mystères de l'exobiologie éclairés par des neutrons

Cela pourrait même être révolutionnaire car prenant le contrepied des théories faisant naître la vie dans les parois de sources hydrothermales chaudes, Stanley Miller et quelques-uns de ses prestigieux collègues, comme Jeffrey L. Bada, ont exploré la possibilité qu'elle soit en fait née dans la glace !

Il n'est donc pas étonnant que les scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du département américain de l'Énergie (DOE) et du Jet Propulsion Laboratory de la Nasa à Pasadena, en Californie, ont entrepris d'étudier la glace amorphe en la reproduisant en laboratoire.

Cette glace cosmique exotique a d'abord été produite par ces chercheurs en abaissant la température d'une plaque de saphir monocristallin à 25 K. Ils l'ont ensuite placée dans une chambre à vide et ont fait croître presque molécule par molécule un film de glace d'eau lourde (D2O), donc contenant un isotope de l'hydrogène, le deutérium, sur le saphir. Ce faisant, ils ont observé comment la structure de la glace changeait avec les variations de température avant de finalement former de la glace cristalline.

Typiquement, cette exploration des changements de l'ordre dans un milieu condensé lors d'une transition de phase peut se conduire en étudiant la diffraction d'un faisceau de neutrons traversant ce milieu. C'est une technique employée depuis plus d'un demi-siècle, en particulier pour étudier les matériaux supraconducteurs et magnétiques. L'ORNL est bien connu pour permettre ce genre de science grâce à sa source de neutrons de spallation (SNS).

Les chercheurs veulent mieux comprendre ce qui peut se passer avec des glaces cristallines ou amorphes bombardées par des rayons cosmiques et comment ces particules peuvent faire passer l'une de ces glaces à l'autre. L'une des retombées des études en cours à ce sujet sera de fournir des informations aux membres de la mission Europa Clipper qui est en préparation. Ces informations les aideront à interpréter les données collectées par la sonde quand elle étudiera la banquise d'Europe.

Pour en savoir plus

Origine de la vie : la Nasa étudie la glace cosmique

Article de Laurent Sacco publié le 08/03/2013

La glace amorphe ne se rencontre pas sur Terre, en dehors de laboratoires comme le Cosmic Ice Lab de la Nasa, mais bien à la surface des poussières cosmiques. Elle y est le lieu d'une chimie prébiotique que l'on veut comprendre pour élucider le mystère de l'origine de la vie. On vient de montrer qu'elle peut protéger les acides aminés des rayons cosmiques.

Cette image est un symbole possible des travaux d'astrochimie en laboratoire sur Terre. Le schéma d'un dispositif de l'un de ces laboratoires se voit avec en arrière-plan une photo en fausses couleurs d'un nuage moléculaire. © Gianfranco Vidali

C'est l'essor de la radioastronomie après la seconde guerre mondiale qui a permis la découverte de nombreuses molécules interstellaires depuis environ 40 ans. Un nouveau domaine scientifique s'est alors ouvert, celui de l'astrochimie, conjointement avec les progrès fulgurants de la planétologie comparée rendus possibles par la conquête spatiale.

De prime abord, l'existence de ces molécules était paradoxale, car on les trouvait dans des nuages à de très basses températures et malgré tout dans des conditions de vide très poussé. On a fini par comprendre qu'elles peuvent tout de même apparaître en phase gazeuse dans un ultravide et à des températures de l'ordre de 10 K, soit environ -263 °C. Autre découverte, elles peuvent se former dans le manteau de glace amorphe recouvrant les poussières interstellaires présentes dans les nuages moléculaires.

Des images prises en fausses couleurs montrant deux types de glaces différents. L'image de gauche montre de la glace cristallisée, alors que celle de droite montre de la glace amorphe (en bleu). © Image de gauche : Nasa, Earth Observatory ; image de droite : Nasa, ARC, P. Jenniskens, D. F. Blake

Cette glace amorphe, comme son nom l'indique, n'est pas sous forme cristalline. Pour apparaître, elle requiert des conditions de pression et de température extrêmes et précises qui ne peuvent exister sur Terre que dans des laboratoires comme le Cosmic Ice Lab du célèbre Nasa's Goddard Space Flight Center. En fait, on a de bonnes raisons de penser que la majorité de l'eau dans l'univers observable se trouve sous forme de glace amorphe. On la trouve aussi au sein de notre Système solaire dans les comètes et à la surface de certaines lunes glacées comme Europe (sur Callisto, la glace est principalement sous forme cristalline).

Une glace pour la chimie prébiotique

Les poussières entourées de glace amorphe intéressent les exobiologistes, car l'on pense que plusieurs stades importants de la chimie prébiotique ont pu se dérouler dans leur gangue de glace. En effet, il y a tout lieu de penser que des réactions de photodissociation et de recombinaison se produisent dans cette glace amorphe, qui contiendrait aussi des atomes d'azote et de carbone, sous l'action des ultraviolets émis par les jeunes étoiles présentes dans les nuages moléculaires. On sait en outre que des rayons cosmiques, principalement composés de protons, frappent ces poussières dans les nuages.


Une présentation des travaux de recherche sur la glace cosmique effectués par les astrochimistes de la Nasa. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En passant simplement la souris sur le rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « français », puis cliquez sur « OK ». © NASAexplorer, YouTube

Dans le cadre de leur étude des propriétés physicochimiques de la glace cosmique et des divers processus astrochimiques associés, des chercheurs du Cosmic Ice Lab ont voulu en apprendre un peu plus sur l'effet des rayons cosmiques sur les molécules organiques pouvant se trouver dans cette glace. Des résultats d'expériences réalisées avec des acides aminés viennent d'être publiés dans le journal Icarus.

La stabilité des acides aminés en question

On sait que des acides aminés ont été trouvés dans des météorites primitives. Il est naturel d'imaginer que ces acides se sont formés dans le nuage moléculaire apparu avant la naissance de l'étoile mère du Soleil et de la nébuleuse protosolaire. Les chercheurs de la Nasa ont voulu savoir si les acides aminés pouvaient conserver leur intégrité dans la glace amorphe entourant des poussières, ou juste sous la surface des planètes et comètes, malgré le rayonnement cosmique.

Ils ont fabriqué plusieurs échantillons de glace amorphe, dont trois composés d'un mélange d'eau et de trois acides aminés, respectivement la glycine, l'alanine et phénylalanine. Ces échantillons étaient refroidis à 15 K et sous une pression un milliard de fois plus faible qu'au niveau de la mer durant des expériences reproduisant les conditions rencontrées dans l'espace. Ils ont donc en plus été soumis à des faisceaux de protons créés à l'aide de champs électriques élevés produits par des générateurs de Van de Graaff. Avec les protons ainsi accélérés, il est possible de simuler les effets d'un million d'années d'exposition aux rayons cosmiques en seulement une demi-heure.

À partir des données obtenues, les astrochimistes ont conclu que certains acides aminés pouvaient être conservés de quelques dizaines à quelques centaines de millions d'années sous au moins un centimètre de glace amorphe à la surface de Mars, de Pluton ou des comètes.

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