Les Pléiades, un amas ouvert d’environ 3000 étoiles et situé à une distance d'environ 440 années-lumière de la Terre dans la constellation du Taureau photographiées ici avec Hubble. Ces étoiles sont jeunes et actuellement, l'amas est plongé dans un nuage de gaz et de poussières. © Nasa, DP
Sciences

Météorite : des poussières d'étoiles présolaires de 7 milliards d'années découvertes

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Ce n'est pas la première fois que l'on découvre des grains présolaires issus d'étoiles mortes avant la naissance du Soleil. Mais ceux trouvés dans la célèbre météorite de Murchison, tombée en Australie en 1969, sont les plus anciens connus. Certaines de ces poussières d'étoiles seraient nées il y a environ 7 milliards d'années, donc avant le Soleil qui lui est née il y a environ 4,6 milliards d'années.

Les météorites fascinent : d'abord parce qu'elles viennent de l'espace interplanétaire et qu'il nous est ainsi permis en quelque sorte de le toucher des mains sur Terre, mais aussi parce que nous sommes bien conscients qu'elles nous connectent aux plus vieilles archives de la formation du Système solaire et même à l'origine de la vie. Ainsi, la météorite de Murchison, une chondrite carbonée comme celle d’Allende, fait l'objet de l'attention des cosmochimistes et exobiologistes depuis longtemps. Elle doit son nom au fait qu'elle est tombée près de la petite ville de Murchison, en Australie, en 1969. Au cours des années, plus de 70 acides aminés y ont été découverts, tous présents dans les protéines de la vie telle qu'on la connaît sur Terre.

On y a découvert aussi des grains présolaires à la fin des années 1980, comme dans d'autres météorites ainsi que l'expliquait Futura dans le précédent article ci-dessous. On entend par là, des matériaux solides qui se sont condensés en grains, non pas dans le disque protoplanétaire de gaz et de poussières en cours de refroidissement autour du jeune Soleil, il y a 4,5 à 4,6 milliards d'années environ, mais avant même la naissance du Soleil, dans les atmosphères stellaires d'étoiles existant avant lui et dont ils ont été éjectés en fin de vie pour se retrouver dans le milieu interstellaire, puis dans la nébuleuse protosolaire à l'origine du Système solaire.

Un échantillon de la météorite de Murchison. Environ 100 kg sous forme de fragments de tailles diverses ont été retrouvés mais d'autres fragments existent certainement. © Randy L. Korotev

Un chronomètre basé sur les rayons cosmiques

Aujourd'hui, comme l'explique dans un article de PnasPhilipp Heck -- conservateur de la collection de météorites au Field Museum et cosmochimiste à l'Université de Chicago --, et ses collègues, la météorite de Murchison vient de livrer les plus anciens grains présolaires connus. Ils sont formés de carbure de silicium de formule SiC et ont en réalité été extraits de la météorite de Murchison il y a presque 30 ans mais on n'était pas encore arrivé à les dater correctement. Sur les 40 dont les âges ont été déterminés à partir de la mesure des quantités d'un isotope du néon21Ne), certains seraient nés ∼3 ± 2 milliards d'années avant le Système solaire et dateraient donc d'environ 7 milliards d'années.

« C'est l'une des études les plus passionnantes sur lesquelles j'ai travaillé », s'exclame Philipp Heck dans un communiqué du Field Museum. Le chercheur explique ensuite que « ce sont les plus anciens matériaux solides jamais trouvés, et ils nous racontent comment les étoiles se sont formées dans notre Galaxie », précisant que « ce sont des échantillons solides d'étoiles, de la vraie poussière d'étoile ».

Dans cette vidéo Philipp Heck explique en détail comment les grains présolaires sont extraits de la météorite de Murchison. 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

Toujours dans ce même communiqué, le cosmochimiste explique comment les âges des grains présolaires ont été déterminés (le raisonnement s'appuie sur le temps passé entre la formation de ces grains, suivie de leur voyage dans le milieu interstellaire, et leur incorporation ultérieure dans la formation des météorites. C'est pendant ce voyage que du 21Ne se forme dans les grains).

« Nous avons utilisé des données sur l'âge d'exposition qui mesurent essentiellement leur exposition aux rayons cosmiques et qui sont des particules de haute énergie traversant notre Galaxie et qui pénètrent dans la matière solide. Certains de ces rayons cosmiques interagissent avec la matière et forment de nouveaux éléments. Et plus ils sont exposés, plus ces éléments se forment. Je compare cela à la mise en place d'un seau lors d'une tempête avec de la pluie. En supposant que les précipitations sont constantes, la quantité d'eau qui s'accumule dans le seau vous indique la durée de l'exposition. En mesurant combien de ces nouveaux éléments produits par les rayons cosmiques sont présents dans un grain présolaire, nous pouvons dire combien de temps il a été exposé aux rayons cosmiques, ce qui nous indique son âge ».
 

Un des grains présolaires très âgés découverts récemment dans la météorite de Murchison. Les grains présolaires sont rares dans les météorites et on les extrait en broyant les échantillons pour obtenir une poudre mélangée à un acide qui va libérer ces grains en suspension et qui vont ensuite sédimenter. © Philipp R. Heck and all, PNAS

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

Précisons un peu les propos de Philipp Heck en les replaçant dans le contexte de ce que l'on sait sur la naissance des étoiles et des planètes dans des nuages moléculaires géants, denses et froids, qui s'effondrent gravitationnellement lorsque certaines conditions sont remplies dans la Voie lactée. Ces nuages se fragmentent en cœurs plus denses comme par exemple en globules 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 l'entourant, 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, celles-ci vont constituer le matériau primitif à l'origine des planètes que l'on retrouve dans les plus anciennes météorites.

Une présentation des recherches sur les grains présolaires par Philipp Heck. 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

C'est ce qui s'est passé dans le cas du Système solaire il y a donc environ 4,5 à 4,6 milliards d'année. Toutefois, certains grains présolaires que l'on trouve aussi dans des 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 peuvent donc les faire parler pour qu'ils livrent des détails de leurs odyssées dans le milieu interstellaire. La compréhension de ce milieu est importante parce qu'il 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. Tout ces matériaux donneront naissance ensuite à d'autres étoiles, des planètes, et se retrouveront même sous la forme des atomes de notre corps.

Pour ceux qui veulent plus de détails sur les grains présolaires et leur étude, voici une conférence de Ian Lyon, de l'Université de Manchester, donnée en avril 2016 à Vilnius, en Lituanie. 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 ». © Ideas in Science

La nouvelle analyse des grains présolaires retrouvés dans la météorite de Murchison a révélé quelques bonus parfois inattendus. Ainsi, la plupart des grains ont, en fait, des âges compris entre 4,9 et 4,6 milliards d'années, ce qui signifierait qu'il s'est produit un pic dans la naissance de nouvelles étoiles il y a environ 7 milliards d'années. Elles auraient été deux fois plus massives que le Soleil en conséquence de quoi elles ont évolué très rapidement pour mourir au bout de 2 milliards d'années environ en libérant dans l'espace de grandes quantités de poussière. Cela apporte de l'eau au moulin des astrophysiciens qui pensent que le taux de production d'étoiles par la Voie lactée n'est pas constant.

Heck et ses collègues ont également constaté que certains des grains présolaires examinés devaient se déplacer en groupes collés les uns aux autres dans le milieu interstellaire, ce dont personne ne se doutait avant.

Pour ceux qui voudraient se procurer des météorites, il y a deux adresses incontournables en France :

  • On cherche, et on trouve, depuis un moment déjà dans les météorites et les comètes, des grains présolaires qui sont des poussières plus vieilles que le Soleil avec des origines multiples.
  • Dans la Voie lactée, les principales sources de production de ces poussières sont les supernovae, ainsi que les étoiles ayant quitté la séquence principale, pour être conduites par leur courbe d’évolution sur la branche asymptotique des géantes.
  • Notre Soleil s’engagera aussi sur cette voie au moment où il deviendra une géante rouge, expulsant ses couches supérieures à l’occasion de vents violents où les conditions physico-chimiques sont idéales pour permettre la synthèse des poussières.
  • On vient de trouver les plus anciens grains présolaires connus à ce jour dans la météorite de Murchison. Certains pourraient avoir 7 milliards d'années et même plus.
Pour en savoir plus
Une coupe, observée au microscope, de la météorite LaPaz Icefield 031117. Elle contient des grains présolaires, dont certains se sont formés lors de l'explosion d'une étoile. © Nasa

Des grains fossiles issus de la mère du Soleil peut-être découverts

Article de Laurent Sacco publié le 13/05/2013

Les grains présolaires trouvés dans certaines météorites ne se sont pas condensés dans la nébuleuse protosolaire. On vient d'en découvrir deux, formés de silice, qui sont très probablement apparus dans les éjectas d'une supernova. Peut-être s'agissait-il de Coatlicue, l'étoile mère du Soleil.

On fait généralement intervenir un Little Bang pour expliquer la naissance du Système solaire, ainsi que diverses traces isotopiques découvertes dans des météorites telles que les chondrites carbonées. Il aurait fallu le souffle de l'explosion d'une supernova pour provoquer l'effondrement du nuage moléculaire et poussiéreux dans lequel est finalement apparue la nébuleuse protosolaire. Ce scénario s'est précisé et compliqué au cours des années, et il fait maintenant intervenir une étoile défunte, que l'on appelle la mère du Soleil : Coatlicue.

Les cosmochimistes et les astrophysiciens cherchent à préciser les conditions qui régnaient dans le cœur préstellaire, d'où aurait émergé la nébuleuse protosolaire. Malheureusement, les processus ayant cours dans cette nébuleuse ont rapidement homogénéisé la composition isotopique du gaz à partir duquel sont nés le Soleil et des grains de poussières, puis les planètes. La mémoire de la composition chimique moyenne de la matière du Système solaire, dans ses conditions de naissance, est donc en partie effacée.

Supernovae et étoiles, deux usines à poussières dans la Voie lactée

Heureusement, on a fini par découvrir des grains présolaires dans les météorites les plus anciennes du Système solaire, les chondrites carbonées. Ces grains ont deux origines principales.

L'origine des grains présolaires présents dans le nuage moléculaire à l'origine du disque protoplanétaire d’où est né le Système solaire. Ces grains fossiles peuvent être retrouvés dans les astéroïdes, les comètes et les météorites. © Larry Nittler

Dans notre galaxie, les principales sources de production de poussières sont les supernovae, ainsi que les étoiles ayant quitté la séquence principale (qui décrit l'histoire de la vie des étoiles) pour être conduites par leur courbe d'évolution sur ce qu'on appelle la branche asymptotique des géantes (BAG, ou, en anglais AGB pour Asymptotic Giant Branch). Notre Soleil s'engagera aussi sur cette voie au moment où il deviendra une géante rouge, dans cinq milliards d'années environ.

Comme lui, ces étoiles, de masses comprises entre une et huit fois celle du Soleil, expulseront leurs couches supérieures à l'occasion de vents violents. Les conditions physico-chimiques dans ces vents sont idéales pour permettre la synthèse des poussières à partir des éléments lourds présents dans l'étoile. Toutefois, la composition précise des grains, leur taille et le type de réseaux cristallins, dépendent fortement des caractéristiques de ces vents.

Les premiers grains en silice issus d'une supernova

Ces grains constitués de silice (SiO2) peuvent-ils apparaître dans les atmosphères des étoiles ? La question a longtemps fait débat au sein des cosmochimistes. Il y a quelques années, on a fini par découvrir cinq grains présolaires de ce type dans des météorites. Leurs compositions isotopiques montraient clairement qu'il s'agissait d'objets provenant de plusieurs étoiles sur la BAG.

Sur ces images prises au microscope électronique, les cercles indiquent des grains présolaires en silice. Ces deux grains ont été identifiés dans les météorites LaPaz Icefield 031117 (à gauche) et Grove Moutains 021710 (à droite). © Haenecour P. et al.

Or, voilà que des chercheurs, du McDonnell Center for the Space Sciences de l'université de Washington à Saint-Louis, viennent d'annoncer qu'ils ont trouvé deux autres grains présolaires en silice. Bien que présents dans deux chondrites différentes découvertes en Antarctique, à savoir LaPaz Icefield 031117 et Grove Mountains 021710 (GRV 021710), ces grains ont des compositions isotopiques très similaires. On peut raisonnablement penser qu'ils proviennent d'une même étoile. C'est là qu'un détail se révèle particulièrement intéressant : les compositions des grains présentent un excès de l'isotope 18O, et attestent donc d'une genèse avec une supernova. C'est une première, et l'on ne peut évidemment pas s'empêcher de penser à l'hypothétique Coatlicue.

Si l'hypothèse des chercheurs est exacte, il est remarquable de pouvoir ainsi trouver des « fossiles » appartenant à l'étoile qui a provoqué la naissance du Soleil. En tout état de cause, ces grains présolaires nous donnent des informations précieuses. Ces témoins nous racontent l'histoire des réactions thermonucléaires et de la convection à l'intérieur des présupernovae, qui ont engendré les noyaux lourds de notre corps comme ceux de carbone, d'oxygène et d'azote.

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