Une vue d'artiste de collisions entre planètes. © NASA/SOFIA/Lynette Cook
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Des collisions de planètes auraient créé des diamants cosmiques

ActualitéClassé sous :formation du Système solaire , microscopie électronique à transmission , EPFL

Depuis un certain temps déjà, on trouve des diamants dans les météorites, notamment dans les uréilites. Les plus gros connus à ce jour viennent d'y être découverts et leur formation doit faire intervenir des collisions entre corps célestes.

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À la croisée de la géologie et de l'astronomie, de la cosmogonie et de l'exobiologie, les météorites sont ensorcelantes, surtout lorsqu'il s'agit de météorites aussi mythiques que celles de Murchison et Allende, sans oublier celles qui sont des fragments de Lune et de Mars -- incidemment, tout le monde peut aujourd'hui s'offrir de petits fragments de ces roches, par exemple en allant sur le site des grands chasseurs de météorites français, Luc Labenne ou encore Alain et Louis Carion.

Non seulement, elles viennent de l'espace interplanétaire, parfois même de planètes mineures comme les eucrites de Vesta, mais elles nous mettent en contact avec un passé vieux de plus de 4,5 milliards d'années, à l'aube de la formation du Système solaire.

Le Système solaire est un laboratoire pour étudier la formation des planètes géantes et l'origine de la vie que l'on peut utiliser conjointement avec le reste de l'Univers observable dans le même but. Mojo (Modeling the Origin of JOvian planets, c'est-à-dire modélisation de l'origine des planètes joviennes) est un projet de recherche qui a donné lieu à une série de vidéos présentant la théorie de l'origine du Système solaire et en particulier des géantes gazeuses par deux spécialistes réputés, Alessandro Morbidelli et Sean Raymond. 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 ». © Laurence Honnorat

Les uréilites, des météorites rares et mystérieuses

Des cosmochimistes, planétologues et cosmogonistes se sont notamment penchés sur une famille rare de météorites (0,6 % de toutes les chutes) que l'on appelle des uréilites. Ce sont des achondrites primitives, en l'occurrence des météorites pierreuses qui sont assez singulières par rapport aux autres météorites pierreuses connues. Elles tirent leur nom du village Novy Urey (cyrillique : Новый Урей), république de Mordovie en Russie, où une météorite de ce type chuta le 4 septembre 1886. Jusqu'à récemment encore, on ignorait totalement à quel type de corps parent elles pouvaient être associées. Mais les 4,5 kilos d'une météorite appelée Almahata Sitta (Station six en arabe, d'après le nom d'une gare de chemin de fer proche, entre Wadi Halfa et Khartoum) sont des échantillons d'uréilite. Or, on sait qu'ils proviennent du petit astéroïde 2008 TC3, un géocroiseur d'environ 2 à 5 mètres de diamètre entré dans l'atmosphère terrestre le 7 octobre 2008 et qui a explosé à une altitude estimée à 37 km au-dessus du désert de Nubie au Soudan.

Fragment d'une uréilite, NWA 4231 (section polie, largeur = 2,9 cm). Les cristaux verdâtres ou orangés sont des olivines, et les cristaux très sombres des pyroxenes. © James St. John, Wikimedia Commons, CC by-sa 2.0

Comme dans le cas de la météorite de Murchison, les cosmochimistes y ont mis en évidence des acides aminés, les briques de construction de la vie, mais aussi des nanodiamants. Dans le précédent article ci-dessous, Futura avait parlé de cette découverte. Ce n'est pas la première fois que l'on trouvait des diamants dans une météorite (ils y font rarement plus de quelques micromètres de diamètre) mais, dans le cas de Almahata Sitta, les chercheurs de l'époque en avaient conclu en les étudiant qu'ils devaient s'être formés à de hautes pressions et températures comme celles que l'on trouve à l'intérieur de la Terre et qui sont, elles aussi, à l'origine de diamants.

Mais ils avaient pu aller un peu plus loin car les données de leurs études semblaient impliquer que ces diamants se sont formés dans le cœur d'une planète comparable en masse et en taille à Mercure, voire juste dans les couches du manteau enveloppant le cœur d'une planète de la taille de Mars. Clairement, pour se retrouver aujourd'hui dans des petits astéroïdes comme 2008 TC3, cette planète devait avoir été détruite par une collision géante.

Microphotographie de l'uréilite NWA 7983 montrant des zones de diamant et de graphite entourées de silicates de Mg-Fe-Ca. © Oliver Christ

Les plus gros diamants trouvés dans des météorites

Mais, aujourd'hui, une équipe internationale composée de chercheurs en provenance d'Italie, des États-Unis, de Russie, d'Arabie saoudite, de Suisse, du Soudan et de l'Université Johann Wolfgang Goethe de Francfort-sur-le-Main vient de publier un article dans Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) qui s'oppose à cette interprétation.

La raison principale en est tout d'abord qu'ils ont également trouvé dans des ureilites du Maroc et du Soudan les plus gros diamants extraterrestres jamais découverts car atteignant quelques dixièmes de millimètre. Mais ils ont également trouvé des fragments de graphite de taille nanométrique et des couches de lonsdaléite, un minéral qui est, avec le diamant et le graphite, l'une des trois formes cristallisées naturelles du carbone et dont le nom a été donné en l'honneur de Kathleen Lonsdale, une cristallographe anglaise.

Or, toutes ces caractéristiques n'apparaissent que sous l'effet de très grandes pressions nécessitant en fait des ondes de choc. D'ailleurs, l'étude attentive de certains silicates dans ces ureilites montre d'autres caractéristiques que l'on retrouve sur Terre avec des quartz choqués lors de violents impacts de petits corps célestes.

Pour les chercheurs, cela exclut donc que ces diamants soient synthétisés à l'intérieur de planètes au moins de la taille de Mercure. Mais il faut bien, en revanche, faire intervenir des chocs colossaux entre des planètes mineures et des astéroïdes de grande taille pour les produire.

Carte de fausses couleurs de la spectroscopie Raman montrant des diamants (rouge) et du graphite (bleu) dans une ureilite. © Ryan Jakubek et Cyrena Goodrich.
  • Les modèles de la formation du Système solaire prévoient que pendant les premiers millions d'années ou douzaines de millions d'années, existaient de nombreux embryons de planètes en formation aujourd'hui mais qui ont ensuite disparu.
  • Ces embryons sont entrés en collision, formant les planètes actuelles, ont été détruits ou éjectés du Système solaire.
  • Les diamants contenus dans des météorites rares, les uréilites, des achondrites primitives, en l’occurrence des météorites pierreuses, laissent penser que ces diamants cosmiques en se sont pas  former dans les profondeurs de planètes rocheuses, au moins de la taille de Mercure comme on le pensait, mais à l'occasion tout de même de violentes collisions entre embryons planétaires et astéroïdes.
Pour en savoir plus

Les diamants d'une météorite révèlent une planète disparue

Article de Laurent Sacco publié le 23/04/2018

La météorite tombée en 2008, venue de l'astéroïde 2008 TC3, s'est formée à grande profondeur, vient de révéler son analyse. Ce petit corps a dû un jour se trouver dans un embryon de planète au moins de la taille de Mercure, détruite par une violente collision il y a environ 4,5 milliards d'années.

Le Catalina Sky Survey est une campagne d'observation menée avec des télescopes situés sur les monts Santa Catalina, près de Tucson, dans l'Arizona. Il s'agissait d'identifier et de recenser des objets géocroiseurs, et en particulier ceux potentiellement dangereux (en anglais Potentially Hazardous Object, ou PHO). En janvier 2018, on connaît ainsi 1.885 astéroïdes qualifiés de potentially hazardous asteroids (PHA), dont 157 ont une taille estimée de plus d'un kilomètre.

Or, le 6 octobre 2008, Richard Kowalski, un astronome du Catalina Sky Survey avait sonné l'alarme après avoir découvert un astéroïde de quelques mètres de diamètre, baptisé 2008 TC3, dont il était clair qu'il allait entrer en collision avec la Terre dans les jours suivants. Ses paramètres orbitaux ont été rapidement précisés, prédisant qu'il allait pénétrer dans l'atmosphère le 7 octobre 2008 à 2 h 46 TU, au niveau du nord du Soudan, une zone presque entièrement désertique.

Sa chute a été suivie de près et une équipe est allée sur les lieux dans les mois qui suivirent, trouvant quelques restes du météoroïde qui avait explosé à 37 kilomètres d'altitude au-dessus du désert de Nubie. C'est au total cinquante fragments de la météorite, d'une taille de 1 à 10 cm chacun, qui ont été recueillis, d'abord par Peter Jenniskens, de l'institut Seti, et Muawia Hamid Shaddad, un astronome à l'université de Khartoum (Soudan) avec une troupe de 45 étudiants, puis lors d'une autre expédition.


Une présentation de l'exposition Météorites, entre ciel et terre, qui se poursuit jusqu'au 10 juin 2018 à la Grande galerie de l'évolution du Jardin des plantes, à Paris. © Muséum national d'histoire naturelle

De l'astéroïde 2008 TC3 à la météorite Almahata Sitta

On dispose finalement de 4,5 kilos de 2008 TC3 dont la météorite a été appelée Almahata Sitta (station six en arabe, d'après le nom d'une gare de chemin de fer proche, entre Wadi Halfa et Khartoum). Il s'est rapidement avéré qu'il s'agissait d'une uréilite, un type rare d'achondrite, météorite pierreuse d'une composition minéralogique particulière, nommée elle d'après le village de Novy Urey en Russie, où une météorite tombée le 4 septembre 1886.

Aujourd'hui, des membres d'un laboratoire de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL, Suisse) viennent de publier un résultat étonnant, avec des collègues en France et en Allemagne, dans un article de Nature Communications. L'étude d'Almahata Sitta confirme que des corps planétaires de la taille de Mercure, et probablement de Mars, se sont bien formés dans le disque protoplanétaire entourant le jeune Soleil dans les premiers millions d'années de l'histoire du Système solaire et que certains ont été détruits lors de collisions.

L'hypothèse de ces planètes disparues découlait des modèles analytiques et numériques de la formation des planètes à partir de la théorie de l'accrétion développée initialement par des chercheurs comme Viktor Safronov et George Wetherill. Mais on n'avait jusqu'ici aucune preuve directe de leur existence dans un passé aussi lointain qu'environ 4,5 milliards d'années. En bonus, la découverte apporte de l'eau au moulin de la théorie de la formation de la Lune résultant de la collision entre la protoTerre et Théia, un corps céleste censément de la taille de Mars moins de 100 millions d'années après le début de la formation de la Terre.

Mais comment les chercheurs sont-ils arrivés à cette conclusion à partir de simples fragments d'une météorite ?

Une lame mince de la météorite d'Almahata Sitta. © EPFL

Des diamants produits dans les entrailles des planètes

Sur des lames minces préparées selon une technique connue en géologie, les chercheurs ont étudié des échantillons de la météorite par microscopie électronique à transmission. Ils y ont remarqué des diamants d'un diamètre d'environ 100 microns. L'observation n'est pas une surprise puisque des petits amas de diamants, plutôt de taille nanométrique, ont été vus depuis longtemps dans des météorites. Or, les diamants se forment à des températures et des pressions élevées, qui n'ont rien d'ordinaire. Sur Terre, ils se forment à grande profondeur et, dans le milieu interstellaire, dans les nuages poussiéreux sous l'effet des ondes de choc des explosions de supernovae mais pas seulement.

Ils peuvent aussi, bien sûr, se former à l'intérieur des petites planètes. La preuve de l'existence de tels objets dans le disque protoplanétaire a déjà été apportée par les météorites ferreuses. Leur composition, probablement similaire à celle du noyau de la Terre, implique des tailles suffisantes pour produire une différentiation planétaire. Mais l'argument restait insuffisant pour conclure à l'existence de véritables embryons de planètes dont les tailles seraient au moins de l'ordre de celle de Mercure.

Les gros diamants d'Almahata Sitta possèdent, eux, des inclusions particulières, qui ont été étudiées par spectroscopie des pertes d'énergie et par analyse dispersive en énergie. Elles sont constituées de chromite, de phosphate et de sulfures fer-nickel. Ces inclusions sont fréquentes dans les diamants terrestres mais c'est la première observation dans les diamants d'une météorite.

Or, ces inclusions sont sur Terre de véritables géobaromètres et peuvent donc servir aussi en planétologie pour estimer les conditions de pressions associées à la genèse de minéraux. Dans le cas présent, la physique des hautes pressions nous dit que ces diamants se sont formés dans le cœur d'une planète comparable en masse et en taille à Mercure, voire juste dans les couches du manteau enveloppant le cœur d'une planète de la taille de Mars.

Il devait exister plusieurs planètes de ce genre. Certaines ont donné les planètes que nous connaissons, tandis que d'autres en ont été éjectées ou ont été englouties par le Soleil.

Un fragment de la météorite Almahata Sitta dans le désert de Nubie. Sa croûte de fusion noire est bien visible. Elle a été produite par son entrée à grande vitesse dans l'atmosphère ce qui a fait fondre la roche en surface et permet de la distinguer des autres. © P. Jenniskens, Seti Institute

 

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