Sur cette vision d'artiste, Lucy, à gauche, explore les astéroïdes troyens et Psyché, à droite, étudie un astéroïde métallique. © Sw RI et SSL, Peter Rubin

Sciences

La sonde Psyché pourrait découvrir des volcans de fer sur un astéroïde

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Après le cryovolcanisme, les sondes spatiales pourraient faire la découverte du ferrovolcanisme selon des planétologues. Les restes de noyaux ferreux de certaines protoplanètes mis à nu par des collisions au début de l'histoire du Système solaire pourraient porter des traces d'éruptions crachant des laves de fer et de nickel sur leur surface, traces que la mission Psyché pourrait bientôt révéler.

En vidéo : la future sonde Psyché survole l'étrange astéroïde du même nom  La Nasa offre un avant-goût de la mission Psyché, qui doit être lancée en 2023, autour de l’astéroïde du même nom. D’un diamètre estimé à 210 kilomètres, il est l’un des dix corps les plus massifs de la ceinture principale, entre Mars et Jupiter. C’est aussi l’un des plus étranges. De par sa composition essentiellement métallique, il est considéré comme le reste du noyau d’une ancienne planète. Pour les astronomes, une enquête sur le cas unique de Psyché s’impose. Ce fossile a beaucoup à dire sur nos origines. 

L'année 2019 est bien évidemment celle des 50 ans de la mission Apollo 11 qui fut un prélude aux spectaculaires progrès dans le domaine des sciences planétaires qui allaient marquer les deux décennies suivantes avec notamment les missions Viking, Venera et Voyager. C'est aussi celle de la 50e Lunar and Planetary Science Conference (LPSC) organisée, comme chaque année depuis longtemps, en mars conjointement par le Planetary Institute (LPI) et le Nasa Johnson Space Center (JSC).

Du 18 au 22 mars 2019, des spécialistes internationaux en pétrologie, géochimie, géophysique, géologie et astronomie sont venus présenter les derniers résultats des recherches en sciences planétaires à plus de 2.000 scientifiques et étudiants dans ces domaines venus du monde entier. Deux équipes indépendantes sont notamment arrivées à des résultats similaires et fascinants conduisant à l'introduction d'un nouveau concept, celui de ferrovolcanisme.

Des images d'un lac de lave. © HDVideoRidha

Le ferrovolcanisme et les météorites

L'étude des météorites constituées complètement ou presque complètement d'un alliage de fer et de nickel, conjointement avec celle de la structure de la Terre, a conduit à penser qu'elles étaient les fragments de planétésimaux de grande taille, voire d'embryons de planètes, qui avaient subi des processus de différentiation similaires à ceux à l'origine du manteau silicaté de la Terre enrobant un noyau métallique.

Les météorites ferreuses seraient donc des vestiges de ces noyaux métalliques, voire des restes de l'interface entre noyaux et manteaux, exposés à l'espace suite à des collisions destructrices entre ces planétésimaux ou ces embryons planétaires au tout début de l'histoire du Système solaire.

On pense notamment que (16) Psyché, l'un des dix astéroïdes les plus massifs de la ceinture principale d'astéroïdes entre Mars et Jupiter, est justement un noyau ferreux, vestige d'une protoplanète. Avec ses plus de 200 kilomètres de diamètre, il a été découvert par l'astronome italien Annibale de Gasparis en 1852, à Naples, et est nommé d'après Psyché, célèbre figure mythologique grecque. La Nasa devrait lancer en 2022 une sonde au nom éponyme à destination de cet astre (voir l'article ci-dessous) qu'elle devrait rejoindre en 2026 et dont la composition devrait donc être similaire à celle des sidérites trouvées sur Terre.

Une coupe de la météorite Gibeon, une sidérite octaédrite classée IV A, trouvée en Namibie en 1836. La belle structure de ses figures de Widmanstätten et son excellent état de conservation en font la météorite la plus utilisée en bijouterie. Pour les géologues, elle donne des indices sur l'aspect du noyau en fer et en nickel de la Terre. On pense en effet que ces météorites sont des vestiges des noyaux de petites planètes. © L. Carion, carionmineraux.com

Or, voilà que lors de la conférence LPSC de cette année, les planétologues Jacob Abrahams et Francis Nimmo de l'University of California à Santa Cruz (États-Unis) ont avancé une hypothèse qui laisse espérer que la sonde états-unienne pourrait découvrir les vestiges d'une activité volcanique avec des laves constituées d'un alliage de fer-nickel à la surface de (16) Psyché.

Ce ferrovolcanisme passé serait dû au fait que les noyaux ferreux sont bien isolés par une enveloppe silicatée et qu'ils se refroidissent donc lentement. Une boule d'un alliage fer-nickel de 60 kilomètres de diamètre seulement mettrait environ 100 millions d'années pour se refroidir. De fait, au tout début de l'histoire du Système solaire, au moment où une collision géante aurait libéré le futur (16) Psyché de sa gangue de silicates, il devait encore être en fusion avec une surface ressemblant à celle d'un lac de lave sur Terre.

Une croûte se serait formée, plus froide et plus dense. Mais au final, selon les chercheurs, cette situation instable, comme dans le cas du magma dans le manteau de la Terre, aurait conduit l'alliage liquide plus léger sous cette croûte à vouloir remonter la surface. Ce qui aurait donc conduit à du ferrovolcanisme avec des volcans crachant un alliage de fer-nickel liquide.

Une vue d'artiste d'un volcanisme qui s'est peut-être produit il y a plus de 4 milliards d'années à la surface de (16) Psyché. © Elena Hartley

Une nouvelle origine pour les pallasites

Toujours lors de la Lunar and Planetary Science Conference, d'autres chercheurs ont également proposé le concept de ferrovolcanisme mais sous un angle légèrement différent qui conduit à reconsidérer l'origine des fameuses pallasites, ces météorites où de beaux cristaux d'olivine de couleur jaune-vert (souvent transparents) « flottent » dans un alliage fer-nickel, qu'elles partagent avec les sidérites, sans être en contact les uns avec les autres. C'est Ernst Chladni, le fondateur de l'acoustique moderne, bien connu pour ses travaux ayant conduit à la découverte des fameuses figures acoustiques de Chladni, qui a donné le nom de pallasites à des météorites similaires à celle découverte en 1749 près de Krasnoïarsk, en Sibérie, par son ami Pallas, un naturaliste allemand au service de l'impératrice Catherine II de Russie.

La météorite Esquel est une pallasite trouvée en 1951 dans la province de Chubut en Argentine. Il s’agit de la plus belle des météorites constituées d’une trame de fer et de nickel dans laquelle se détachent des grains d’olivine. © L. Carion, carionmineraux.com

Le second travail des chercheurs s'applique à un reste d'embryon de planètes encore partiellement recouvert d'une couche de silicate et dont le noyau ferreux fait 100 kilomètres de diamètre. Il fait intervenir également l'hypothèse de la formation de régions enrichies en soufre dans l'alliage liquide de fer-nickel. Là aussi, on est conduit à des poches de matière moins denses et qui vont donc s'élever du fait de la force d'Archimède.

Au final, des dykes analogues à ceux connus avec les processus magmatiques dans les volcans sur Terre vont s'introduire dans le reste de manteau silicaté. Ces intrusions de roches ignées peuvent même atteindre la surface conduisant là aussi à du volcanisme.

Le mélange entre les roches du manteau et les remontées de fer-nickel liquide pourrait en fait être à l'origine des matériaux dont les fragments retrouvés sur Terre, suite à d'autres collisions, sont donc ce que l'on appelle des pallasites.

  • Les sidérites et les pallasites sont des météorites qui seraient des fragments d'anciens noyaux d'embryons de planètes, totalement ou partiellement débarrassés d'une couverture silicatée lors des collisions violentes du début de la formation du Système solaire.
  • On pense maintenant que ces noyaux pourraient avoir donné naissance à des volcans crachant des laves d'un alliage de fer-nickel.
  • Ce ferrovolcanisme pourrait avoir laissé des traces à la surface d'astéroïdes comme (16) Psyché que devrait visiter la sonde éponyme de la Nasa en 2026.
Pour en savoir plus

Avec les sondes Psyché et Lucy, la Nasa va étudier de curieux astéroïdes

Article de Laurent Sacco publié le 06/01/2017

Deux nouvelles missions du programme Discovery viennent d'être annoncées, Lucy et Psyché, l'une vers des prisonniers de Jupiter qui viennent sans doute de beaucoup plus loin, et l'autre vers un curieux astéroïde métallique, peut-être le vestige d'un noyau de planète rocheuse disparue. De quoi mieux comprendre les origines du Système solaire.

En ces temps incertains où les financements pour la recherche fondamentale se font de plus en plus difficiles à obtenir, l'annonce des prochaines missions du programme Discovery étaient très attendue. Mis en place en 1992, il concentre l'effort de la Nasa pour l'exploration robotisée du Système solaire avec des missions spatiales plus fréquentes, car moins chères et plus efficaces.

Il en est de célèbres comme :

Ce 4 janvier 2017, deux missions ont finalement été sélectionnées et elles ont pour objectif principal de percer certains des secrets de l'origine du Système solaire via l'étude des astéroïdes, mais pas de n'importe lesquels :

  • Lucy, qui sera lancée en 2021, partira en direction des troyens de Jupiter, des petits corps célestes piégés aux points de Lagrange L4 et L5 de la géante gazeuse et qui intriguent les astronomes et les planétologues.
  • Psyché, en 2023, ira inspecter un astéroïde de la ceinture principale dont tout semble indiquer qu'il est métallique.

Afin d'optimiser les ressources accordées au programme Discovery, Lucy sera équipée de versions améliorées des instruments ayant fait le succès de la mission New Horizons, à savoir Ralph et Lorri, ainsi que de l'instrument Otes qui se trouve à bord d'Osiris-Rex, la sonde à destination de l'astéroïde Bennu.

Les explications de la Nasa sur les deux missions Discovery. 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 ». © Nasa

Lucy, les troyens, la ceinture de Kuiper et l'aube du Système solaire

Si tout va bien, Lucy sera lancée en octobre 2021 et elle devrait atteindre la ceinture principale d'astéroïdes entre Mars et Jupiter d'ici 2025. Elle ne s'y arrêtera pas car son objectif est un groupe de six astéroïdes troyens de Jupiter qu'elle explorera de 2027 à 2033. Il y aura d'abord 3548-Eurybate, 15094-Polymèle, 11351-Leucos, 21900-Oros au point de Lagrange L4 puis l'astéroïde binaire 617-Patrocle-Ménétios en L5. Le premier astéroïde troyen a été découvert en 1906 par Max Wolf qui l'a baptisé Achille. Depuis, on a donné des noms des héros grecs de l'Iliade aux corps célestes en L4 et des noms de héros troyens aux corps trouvés en L5.

L'origine de ces troyens, piégés par les champs de gravitation combinés du Soleil et de Jupiter, reste incertaine. Les observations dans le domaine de l'infrarouge réalisées avec Wise les font apparaitre comme généralement sombres, réfléchissant peu de lumière et peut-être teintés de rouge-brun. Cela s'accorde avec l'idée (issue des simulations numériques de l'origine et de l'évolution du Système solaire) que beaucoup de ces corps se sont formés dans la ceinture de Kuiper, aux confins du Système solaire, et qu'ils sont recouverts de matière organique. Les troyens seraient donc très primitifs et porteurs d'informations sur les dix premiers millions d'années du Système solaire. Ils seraient aussi, en prime, un moyen commode d'étudier les corps de la lointaine ceinture de Kuiper, bien plus difficile à atteindre. Rappelons que la sonde New Horizons, partie en janvier 2006, a atteint Pluton en juillet 2015 et frôlera un objet de Kuiper en 2019.

Puisque Lucy devrait nous éclairer sur l'origine des planètes, son nom est un clin d'œil à la célèbre australopithèque, qui nous a tant appris sur l'histoire de l'humanité. D'ailleurs, la sonde ira également jeter un coup d'œil à 52246-Donaldjohanson, un astéroïde de la ceinture principale nommé en l'honneur du codécouvreur de l'hominine.

À 60° de part et d'autre de Jupiter, sur son orbite, les champs de gravité combinés du Soleil et de la géante piègent des petits corps célestes qui accompagnent alors Jupiter. Ce sont les troyens, qu'illustre ce dessin d'artiste. © Nasa

Psyché nous apprendra-t-elle à exploiter les métaux des astéroïdes ?

Lancée en principe en 2023, Psyché n'arrivera qu'en 2030 à sa destination, un astéroïde au bord externe de la ceinture principale dont le nom est 16-Psyche. Avec un diamètre de 213 kilomètres environ, il est apparemment constitué majoritairement de métaux car il réfléchit particulièrement bien les ondes radar et sa densité semble élevée.Si l'on se fie aux météorites métalliques trouvées sur Terre ainsi qu'à l'étude de l'intérieur de notre planète, 16-Psyche devrait être le reste du noyau d'un petit corps céleste différentié, composé d'un alliage de fer et de nickel similaire au noyau de la Terre. Le manteau rocheux qui l'entourait aurait été arraché lors d'une collision violente entre deux petites planètes. À moins que des surprises dans les observations de la sonde contraignent à repenser radicalement l'origine des météorites métalliques.

Il se peut que Psyché, qui sera équipée d'un magnétomètre, puisse détecter un champ magnétique rémanent, peut-être le vestige d'un temps où l'astéroïde était en fait le cœur d'une planète de la taille de Mars, lieu de l'analogue de la géodynamo terrestre.

En tout état de cause, si 16-Psyche nous donne bien l'opportunité d'étudier directement un cœur métallique de planète tellurique, il devrait aussi permettre d'affiner nos idées sur l'exploitation des ressources métalliques dans les astéroïdes.

Une vue d'artiste de la mission Psyché au-dessus de son astéroïde cible. © Sw RI, SSL, Peter Rubin
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