Cette image montre l'astéroïde géant Vesta. © Nasa

Sciences

Le grand astéroïde Vesta a eu une activité volcanique durant 30 millions d'années

ActualitéClassé sous :Vesta , astéroïde , olivine

De nouvelles mesures concernant des météorites en provenance de l'astéroïde Vesta laissent penser que de nombreuses coulées de lave y étaient produites par des volcans pendant au moins les 30 premiers millions d'années de son existence. C'est plus long que ce que prévoyaient des modèles et incite à repenser l'histoire du volcanisme précoce dans le Système solaire il y a plus de 4,5 milliards d'années.

Lorsque l'astronome allemand Heinrich Olbers a découvert le 29 mars 1807 l'astéroïde Vesta, il ne pouvait pas se douter qu'il serait un jour visité par un émissaire de l'Humanité, la sonde Dawn de la Nasa qui l'a étudié de près, de juillet 2011 à août 2012, avant de partir en direction de la planète naine Cérès. Dawn a révélé une surface fortement cratérisée pour ce corps céleste qui est devenu le plus grand des astéroïdes de la ceinture principale du Système solaire entre Mars et Jupiter. Ce titre était autrefois détenu par Cérès avant qu'on ne le requalifie en planète naine.

Olbers ne pouvait pas savoir non plus qu'avec une taille moyenne d'environ 530 kilomètres, Vesta serait considéré au XXe siècle comme un représentant fossile des planétésimaux, ces petits corps célestes dont les tailles sont grossièrement comprises entre 10 et 1.000 kilomètres et qui ont été introduits dans les théories cosmogoniques des planètes, d'abord par Chamberlin et Moulton, et surtout par la suite par Viktor Safronov. C'est en entrant en collision sous l'effet de leurs forces d'attraction gravitationnelle que les planétésimaux ont donné naissance aux embryons de planètes puis aux planètes elles-mêmes. On saisit donc tout l'intérêt de l'étude de Vesta par Dawn pour comprendre plus finement la genèse du Système solaire il y a environ 4,56 milliards d'années.

Une animation en 3D de la surface de Vesta. © Nasa Visualization Technology Applications and Development (VTAD)

Des météorites analogues aux basaltes sur Terre

Dawn a confirmé par ses analyses spectrales de la composition minéralogique de la surface de Vesta ce que l'on savait déjà à partir d'instruments similaires équipant les télescopes terrestres depuis des décennies, à savoir la présence de roches ignées témoins d'une activité volcanique et magmatique passée. Mieux, les spectres obtenus sont très semblables à ceux d'un groupe de trois types de météorites achondrites bien connues sur Terre depuis longtemps et dont la provenance, en raison notamment de la similarité des spectres, était déjà attribuée à Vesta, les météorites HED (pour Howardites-Eucrites-Diogénites).

Les eucrites sont très similaires aux basaltes que l'on peut trouver sur Terre, par exemple sous la forme des coulées de lave des volcans hawaïens. Elles sont essentiellement constituées de petits cristaux de pyroxène et de plagioclase, ce qui implique un refroidissement rapide alors que les diogénites, également constituées de pyroxène et de plagioclase, avec un peu d'olivine, ont des cristaux de taille nettement supérieure. Ce qui implique un refroidissement bien plus lent et suggère donc que les diogénites proviennent des profondeurs de Vesta et qu'elles ont été excavées par de très violents impacts, ceux-là mêmes qui ont formé les grands cratères à la surface de Vesta. Les howardites sont, elles, des brèches composées de fragments d'eucrites et de diogénites, avec parfois quelques chondres carbonés.

Les météorites HED (howardites-eucrites-diogénites) sont un grand groupe de météorites qui proviendraient de Vesta, une hypothèse qui est cohérente avec les observations actuelles de Dawn. Les eucrites sont des laves cristallisées qui ont la composition du basalte, le type de lave le plus courant sur Terre. Les eucrites QUE 97053 (à gauche) et EET 90020 (à droite), illustrées ici, ont été récupérées en Antarctique. Ces images sont de fines tranches de météorites vues au microscope polarisant. Les barres blanches des images, d'une longueur de 2,5 mm chacune, indiquent l'échelle. Lorsque la lumière polarisée passe à travers de fines tranches de roche, les minéraux ont des couleurs différentes. Des eucrites comme celles-ci représentent une partie de la surface de Vesta. Leurs compositions peuvent être comparées aux observations de divers instruments à bord de Dawn. © Nasa

Les eucrites ont donc été émises par une activité volcanique importante puisqu'une bonne partie de la surface de Vesta en est couverte. Complétées par l'étude du champ de gravité de Vesta par Dawn, toutes ces données indiquent que l'astéroïde est un corps différencié, comme la Terre, possédant un noyau dense de nickel et de fer dont le diamètre serait compris entre 214 et 226 kilomètres, un manteau et une croûte. On peut donc considérer que Vesta a conservé figé un aperçu de la façon dont les corps planétaires rocheux, y compris la Terre, se refroidissaient, se solidifiaient et se formaient au cours des premières dizaines de millions d'années de l'histoire du Système solaire.

Maintenant, il faut savoir qu'on a de bonnes raisons de penser que bien des planétésimaux au début de l'histoire du Système solaire ont été chauffés fortement et rapidement, au point de développer des volcans, essentiellement par la désintégration d'un isotope de l'aluminium à courte durée de vie, l'aluminium 26. Il aurait été produit par l'explosion d'une étoile en supernova, dont l'onde de choc aurait provoqué l'effondrement de la nébuleuse protosolaire qui allait devenir le jeune Soleil entouré d'un disque protoplanétaire, dans lequel se retrouvait l'isotope radioactif de l'aluminium. Plus le contenu en 26Al des corps rocheux était important, donc leur taille, plus la production de chaleur était importante.

Une coupe de l'eucrite Northwest Africa 1836 trouvée au Maroc. © Meteorites Australia, www.meteorites.com.au.

Des poches survivantes d'un océan de magma

Des planétologues cosmochimistes de l'Université Curtin en Australie-Occidentale viennent de faire parler des eucrites trouvées en Antarctique en les datant plus précisément par spectrométrie de masse au moyen des abondances des isotopes 40Ar/39Ar, une méthode de datation radiométrique dite Argon-Argon, qui affine la méthode de datation par le potassium-argon. Les résultats de cette étude ont été publiés dans la revue Geochimica et Cosmochimica Acta.

Le professeur Fred Jourdan, de l'école des sciences de la Terre et des planètes de l'Université Curtin, explique certains des résultats en ces termes dans un communiqué de l'Université :

« Les données ont révélé que Vesta était volcaniquement active pendant au moins 30 millions d'années après sa formation initiale, qui s'est produite il y a 4.565 millions d'années. Bien que cela puisse sembler court, c'est en fait beaucoup plus long que ce que la plupart des autres modèles numériques prédisaient, c'était inattendu pour un si petit astéroïde. »

Pour cette raison, Fred Jourdan ajoute : « Considérant que tous les éléments radioactifs fournissant de la chaleur se seraient complètement désintégrés à ce moment-là, nos recherches suggèrent que des poches de magma devaient avoir survécu sur Vesta, et étaient potentiellement liées à un océan de magma partiel en refroidissement lent situé à l'intérieur de la croûte de l'astéroïde. »

Trudi Kennedy, collègue de Fred Jourdan, ajoute également : « Nos données consolident l'hypothèse selon laquelle les premières coulées de lave des éruptions sur Vesta ont été enfouies profondément dans sa croûte par des coulées de lave plus récentes, essentiellement en se superposant les unes sur les autres. Elles ont ensuite été "cuites" par la chaleur du manteau de la protoplanète, modifiant les roches... C'est très excitant pour nous, car nos mesures apportent de nombreuses nouvelles informations sur les 50 premiers millions d'années environ de l'histoire ancienne de Vesta, que tous les futurs modèles devront désormais prendre en compte. Cela laisse également penser maintenant que si le volcanisme pouvait durer plus longtemps qu'on ne l'imaginait sur une protoplanète, alors peut-être que le volcanisme sur la Terre primitive elle-même aurait pu être plus énergétique que nous ne le croyons actuellement. »

  • Les météorites HED (pour Howardites-Eucrites-Diogénites) ont des caractéristiques spectrales qui sont très proches de celles de la surface de Vesta, le plus gros astéroïde entre Mars et Jupiter. On a des raisons supplémentaires de penser qu'elles viennent bien de Vesta depuis la mission Dawn de la Nasa qui l'a observé de près pendant un an.
  • De nouvelles analyses d'eucrites qui sont des basaltes volcaniques, trouvées sur Terre en Antarctique, permettent de préciser que le volcanisme sur Vesta aurait duré au moins 30 millions d'années après la naissance de cette protoplanète différenciée avec croûte, manteau et noyau métallique.
  • Cette durée est plus grande qu'on ne le pensait, ce qui suggère que le volcanisme précoce dans le Système solaire, sur Terre notamment, pouvait être plus actif qu'on ne l'imaginait.
Pour en savoir plus

Le mystère de l'olivine manquante de Vesta

Dans la région occupée par le plus grand cratère de Vesta, Rheasilvia, les scientifiques pensaient trouver des roches riches en olivine provenant du manteau de cet astéroïde. La sonde Dawn n'a malheureusement pas confirmé cette prédiction. On n'en comprend pas bien la raison. Il faut sans aucun doute revoir l'histoire de ce petit corps céleste, probablement plus compliquée que prévu.

Rheasilvia est un immense cratère de près de 500 km de diamètre centré près du pôle sud de l'astéroïde Vesta. Il a été découvert pour la première fois sur des images prises par Hubble en 1997. Il occupe presque 90 % du diamètre moyen de Vesta, dont la forme est proche de celle d'un ellipsoïde oblong mesurant presque 580 km dans sa plus grande longueur et 460 km dans sa plus petite. On s'attendait à ce qu'un tel impact permette d'avoir accès directement aux roches profondes de ce petit corps céleste en les ramenant en surface.

Or, la sonde Dawn, qui a permis de mieux connaître Vesta puisqu'elle est restée quelque temps en orbite autour de cet astéroïde (avant de partir en direction de la planète naine Cérès, qu'elle atteindra en 2015), était équipée de l'instrument Visible and Infrared Mapping Spectrometer (VIR). Avec lui, il était possible de déterminer la composition minéralogique de la surface de Vesta jusqu'à un certain point. Les chercheurs sont donc partis à la recherche de traces d'olivine.

Une carte en fausses couleurs de la minéralogie de surface de Vesta. L'imposant cratère Rheasilvia occupe une bonne partie de l'hémisphère sud. Les taches rouges, vertes et bleues indiquent des régions dont les roches sont identiques à celles formant respectivement les diogénites, les howardites et les eucrites, des météorites trouvées sur Terre. La sonde Dawn a donc confirmé qu’elles venaient bien de Vesta. Les zones jaunes indiquent les régions où l’on trouve à la fois des diogénites et des howardites. © Nasa

Pour en comprendre la raison, il faut savoir qu'avec sa taille, qui pourrait presque le faire qualifier de planète naine, l'astéroïde pouvait avoir évolué comme d'autres corps du Système solaire, tels que la Terre ou Mars. En effet, on avait de bonnes raisons de penser que des sources de chaleur, que ce soient des éléments radioactifs ou à cause de l'induction, avaient conduit Vesta à se différencier avec la formation d'un noyau métallique, d'une croûte et d'un manteau riche en olivine.

Vesta, un astéroïde partiellement différencié ?

Mais comme les planétologues l'expliquent dans un article de Nature, et à leur grande surprise, aucune trace d'olivine n'a été trouvée en association avec Rheasilvia, alors qu'ils s'attendaient à un forage naturel donnant accès aux roches du manteau de Vesta. Par contre, VIR a révélé la présence d'olivine là où on ne l'avait pas prévue, à savoir dans deux cratères dans l'hémisphère nord, Arruntia et Bellicia.

Ce résultat énigmatique force les chercheurs à considérer des scénarios d'évolution de Vesta plus compliqués qu'ils l'imaginaient. Peut-être la différenciation de ce corps céleste ne s'est-elle produite que partiellement, avec des poches de roches contenant de l'olivine. Peut-être y a-t-il simplement des couches de matériaux qui se sont déposées sur Rheasilvia à l'occasion d'un événement inconnu, dissimulant les roches riches en olivine que l'on s'attendait à découvrir. Voilà en tout cas un beau sujet d'étude pour une mission future qui irait se poser sur Vesta pour en explorer la géologie.

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