Le Sys­tème so­laire pré­coce ra­con­té par des mé­téo­rites

La Recherche - - Fondamentaux - COSMOCHIMISTE Em­ma­nuel Jac­quet,

Les plus pri­mi­tives des mé­téo­rites – les chon­drites – font l’ob­jet d’ana­lyses de plus en plus va­riées et pré­cises qui per­mettent d’éla­bo­rer des scé­na­rios de for­ma­tion du Sys­tème so­laire. Ces pierres sont une aide pré­cieuse face à la dif­fi­cul­té de re­cons­ti­tuer un contexte astrophysique ré­vo­lu de­puis des mil­liards d’an­nées.

Le Sys­tème so­laire s’est for­mé voi­ci plus de 4,5 mil­liards d’an­nées. Sans doute les ob­ser va­tions des disques pro­to­pla­né­taires ac­tuels dans notre Galaxie et les mo­dèles des as­tro­phy­si­ciens donnent-ils une idée de cette époque pri­mor­diale. Mais rien ne rem­place des té­moins di­rects. Or no­treTerre et les autres pla­nètes sont trop évo­luées géo­lo­gi­que­ment pour en te­nir lieu. Tel n’est pas le cas des mé­téo­rites, ces dé­bris de leurs blocs de construc­tion, presque in­chan­gés de­puis leur ge­nèse, qui conti­nuent à pleu­voir sur nous. Manne cos­mique d’au­tant plus pré­cieuse aux scien­ti­fiques que les tech­niques d’ana­lyse ont at­teint des pré­ci­sions qui nous offrent au­tant de fe­nêtres in­édites sur le sys­tème so­laire pri­mi­tif. Par­mi les mé­téo­rites, les mé­téo­rites pri­mi­tives ou chon­drites, qui re­pré­sentent 85 % d’entre elles, sont les plus propres à nous in­for­mer sur l’état de la ma­tière du Sys­tème so­laire avant la for­ma­tion de ses astres. En ef­fet, les as­té­roïdes dont elles pro­viennent ne se sont qua­si­ment pas trans­for­més de­puis leur ag­glo­mé­ra­tion, et la tex­ture des chon­drites laisse fa­ci­le­ment de­vi­ner les so­lides in­di­vi­duels (sou­vent mil­li­mé­triques) qui se sont agré­gés. Vé­ri­tables « sé­di­ments cos­miques », les chon­drites ont une com­po­si­tion glo­bale proche de celle du So­leil (si l’on ex­cepte les élé­ments vo­la­tils). Elle tra­hit l’uni­té d’ori­gine de l’étoile et de son cor­tège, is­sus d’un même frag­ment de nuage in­ter­stel­laire, la né­bu­leuse pro­to­so­laire. Si les mé­téo­rites pri­mi­tives sont des re­liques fi­dèles de la for­ma­tion du Sys­tème so­laire, elles ont ef­fa­cé el­les­mêmes la mé­moire d’une époque an­té­rieure. En ef­fet, la né­bu­leuse pro­to­so­laire de­vait pri­mi­ti­ve­ment re­ce­ler de la pous­sière in­ter­stel­laire, ré­sul­tat des 8 mil­liards d’an­nées d’évolution de notre Galaxie qui ont pré­cé­dé la for­ma­tion du Sys­tème so­laire. Mais la ma­jo­ri­té de cette pous­sière a été va­po­ri­sée ou fon­due dans le sys­tème so­laire pré­coce et n’a re­pa­ru sous forme so­lide qu’ho­mo­gé­néi­sée, avant de pou­voir s’agré­ger en chon­drites.

Grains pré­so­laires

Tou­te­fois, à l’ins­tar des pa­limp­sestes mé­dié­vaux, les chon­drites n’ont pas per­du toute trace de leur as­cen­dance. Quelques grains pro­duits dans des en­ve­loppes d’étoiles an­té­rieures à la nais­sance du So­leil – par­fois de plusieurs di­zaines à cen­taines de mil­lions d’an­nées –, y ont été iden­ti­fiés sous leur forme na­tive. Ces

grains pré­so­laires qui ne dé­passent guère un mi­cro­mètre en taille sont tra­his par leurs com­po­si­tions iso­to­piques (*) très dif­fé­rentes de celle du mé­lange so­laire. Ces com­po­si­tions peuvent être com­pa­rées aux mo­dèles de nu­cléo­syn­thèse dans les divers types d’étoiles (géantes rouges, su­per­no­vae, etc.), dont on peut ain­si éva­luer les con­tri­bu­tions res­pec­tives au nuage pro­to­so­laire. Cer­taines de ces con­tri­bu­tions étaient sans doute as­sez ré­centes. Des ex­cès en ma­gné­sium 26 dans des phases riches en alu­mi­nium des chon­drites ont été no­tam­ment at­tri­bués à la dés­in­té­gra­tion d’un ra­dio-iso­tope au­jourd’hui dis­pa­ru, l’alu­mi­nium 26. Or s’il exis­tait de l’alu­mi­nium 26 lors de la for­ma­tion du Sys­tème so­laire, il avait dû être pro­duit peu avant, eu égard à sa courte pé­riode ra­dio­ac­tive de 740 000 ans (après chaque pé­riode, ou de­mi-vie, la moi­tié de la quan­ti­té ini­tiale d’un ra­dio-iso­tope s’est dés­in­té­grée). De plus, il n’y a guère que des étoiles mas­sives qui puissent syn­thé­ti­ser cet iso­tope. Peut-être alors une telle étoile mas­sive a-t-elle, par des vents puis­sants ou l’onde de choc ac­com­pa­gnant son ex­plo­sion fi­nale, dé­clen­ché la contrac­tion gra­vi­ta­tion­nelle de la né­bu­leuse pro­to­so­laire, et ain­si la for­ma­tion du Sys­tème so­laire. Ces aper­çus gla­nés sur la « pré­his­toire » du Sys­tème so­laire ne doivent pas oc­cul­ter que l’es­sen­tiel des com­po­sants des chon­drites re­monte à ses pre­miers mil­lions d’an­nées. C’est l’époque où la contrac­tion gra­vi­ta­tion­nelle de la né­bu­leuse pro­to­so­laire avait don­né nais­sance à un So­leil en­tou­ré d’un disque de gaz et de pous­sière, dit disque pro­to­pla­né­taire. Par­mi ces com­po­sants, les plus an­ciens sont les in­clu­sions ré­frac­taires, agré­gats de taille mil­li­mé­trique sou­vent en­ri­chis en cal­cium et alu­mi­nium, et da­tés de 4,567 mil­liards d’an­nées – au mil­lion d’an­nées près –, un âge dé­sor­mais iden­ti­fié à ce­lui du Sys­tème so­laire lui-même. Dans un environnement où toute ma­tière au­rait été préa­la­ble­ment va­po­ri­sée, les cal­culs ther­mo­dy­na­miques montrent que des ob­jets de cette com­po­si­tion se­raient les pre­miers so­lides à se conden­ser. Mais pour ce­la, la tem­pé­ra­ture de­vait avoir at­teint en­vi­ron 2000 kel­vins (au­tour de 1700 °C). Or les mo­dèles as­tro­phy­siques pré­voient jus­te­ment pa­reille tem­pé­ra­ture dans le disque pro­to­pla­né­taire, en de­çà de l’ac­tuelle or­bite ter­restre, pen­dant ses pre­miers mil­lé­naires d’exis­tence, avant qu’il ne re­froi­disse pro­gres­si­ve­ment. Il est tou­te­fois pro­bable que les in­clu­sions ré­frac­taires ont connu une his­toire ther­mique plus com­plexe, com­pre­nant un ou plusieurs épi­sodes de ré­chauf­fage ul­té­rieur. Les com­po­sants les plus abon­dants des chon­drites, et qui leur ont va­lu leur nom, sont des billes si­li­ca­tées mil­li­mé­triques ap­pe­lées chondres. Leur forme, leur tex­ture, la chi­mie de leurs phases consti­tu­tives, tout sug­gère qu’ils ont été fon­dus, quelques heures ou quelques jours avant de se so­li­di­fier. Ils se sont for­més du­rant les trois mil­lions d’an­nées qui ont sui­vi la for­ma­tion des in­clu­sions ré­frac­taires et plus d’un chondre a su­bi plusieurs épi­sodes de fu­sion avant d’être in­cor­po­ré dans sa chon­drite hôte.

Deux siècles d’étude

Ce­pen­dant, mal­gré deux siècles d’études, la na­ture de ces épi­sodes lo­ca­li­sés de hautes tem­pé­ra­tures reste un mys­tère. De toute évi­dence, un pro­ces­sus qui a af­fec­té la ma­jo­ri­té de la sub­stance des mé­téo­rites pri­mi­tives et, par­tant, des pla­nètes ne peut être de mince im­por­tance dans les théo­ries de for­ma­tion des corps cé­lestes. On a long­temps pro­po­sé de les for­mer par la fu­sion d’agré­gats pri­mor­diaux dans l’es­pace in­ter­pla­né­taire, par exemple au pas­sage d’ondes de choc. Mais des scé­na­rios à base de col­li­sions entre pla­né­té­si­maux ou pro­to­pla­nètes, dont les chondres se­raient les « écla­bous­sures », connaissent un re­gain de for­tune.

Dans les chon­drites, chondres et in­clu­sions ré­frac­taires sont ci­men­tés par une ma­trice à grains fins de taille in­fé­rieure au mi­cro­mètre. Celle-ci pa­raît consti­tuée d’un mé­lange de grains pré­so­laires et de sous-pro­duits de la for­ma­tion des chondres ou des in­clu­sions ré­frac­taires, dont les con­tri­bu­tions res­pec­tives sont en­core dif­fi­ciles à dé­mê­ler. C’est dans la ma­trice que l’on trouve de la ma­tière or­ga­nique, sans doute en par­tie hé­ri­tée du nuage pro­to­so­laire, mais qui a pu être syn­thé­ti­sée ou mo­di­fiée dans le disque pro­to­pla­né­taire ou dans les corps pa­rents des chon­drites. Quelques si­li­cates hy­dra­tés at­testent par­fois aus­si de la pré­sence ori­gi­nelle d’eau. En tant qu’en­semble, la ma­trice n’a ja­mais connu de tem­pé­ra­ture su­pé­rieure à quelques cen­taines de kel­vins. Chaque chon­drite réunit ain­si des com­po­sants avec des his­toires ther­miques dif­fé­rentes, et donc pro­ba­ble­ment des ori­gines va­riées. Ce­ci sug­gère des mé­ca­nismes de trans­port im­por­tants dans le disque pro­to­pla­né­taire, qui ont mé­lan­gé ces com­po­sants avant leur in­cor­po­ra­tion (1). La dé­cou­verte par la mis­sion Star­dust de dé­bris de chondres et d’in­clu­sions ré­frac­taires dans la co­mète Wild 2, for­mée dans les ré­gions froides du disque, ren­force en­core cette idée. Une tur­bu­lence ré­pan­due dans le disque, pro­ba­ble­ment de na­ture ma­gné­to­hy­dro­dy­na­mique, pour­rait avoir as­su­ré ce mé­lange. Mais des vents émis par des pro­ces­sus as­tro­phy­siques de part et d’autre du disque au­raient éga­le­ment pu en­traî­ner des so­lides d’une ré­gion à une autre. Les chon­drites ne consti­tuent pas pour au­tant une classe ho­mo­gène de mé­téo­rites. La com­po­si­tion chi­mique et iso­to­pique dis­tingue dif­fé­rents groupes qui ren­ferment des po­pu­la­tions spé­ci­fiques de chondres. Le mé­lange a donc été in­com­plet. Une di­cho­to­mie re­mar­quable sé­pare les chon­drites car­bo­nées, proches de la com­po­si­tion so­laire et riches en ma­trice, des chon­drites non car­bo­nées (no­tam­ment les chon­drites or­di­naires et les chon­drites à ens­ta­tite). Ces der­nières sont rat­ta­chées par leur spectre de ré­flexion à des as­té­roïdes des ré­gions in­ternes de la cein­ture prin­ci­pale d’as­té­roïdes, tan­dis que des as­té­roïdes car­bo­nés do­minent en pé­ri­phé­rie et semblent se fondre par nuances in­sen­sibles aux co­mètes. On pour­rait rap­pro­cher cette di­cho­to­mie de la ligne des glaces qui dé­li­mi­tait le disque in­terne, où l’eau était ga­zeuse, et le disque ex­terne, où elle était so­lide et a pu s’in­cor­po­rer aux pla­né­té­si­maux – de fait les chon­drites car­bo­nées sont les plus hy­dra­tées. Mais l’ex­pli­ca­tion de cette zo­na­tion est sans doute plus com­plexe, car res­te­rait à ex­pli­quer pour­quoi les in­clu­sions ré­frac­taires, que l’on pense s’être for­mées près du So­leil, se re­trouvent es­sen­tiel­le­ment dans les chon­drites car­bo­nées.

In­gé­nieuses conjec­tures

En se for­mant, la pro­to­pla­nète Ju­pi­ter a creu­sé un sillon dans le disque pro­to­pla­né­taire, qui au­rait pu cou­per les com­mu­ni­ca­tions entre le sys­tème in­terne et le sys­tème ex­terne, ren­for­çant la di­cho­to­mie ob­ser­vée au­jourd’hui. Les as­té­roïdes au­raient néan­moins pu se mé­lan­ger ul­té­rieu­re­ment dans la cein­ture prin­ci­pale d’as­té­roïdes, pos­si­ble­ment à la suite de mi­gra­tions de Ju­pi­ter dans le disque. Mais en dé­pit de ces in­gé­nieuses conjec­tures, la si­gni­fi­ca­tion de la di­ver­si­té des chon­drites, et donc des va­ria­tions de com­po­si­tion du disque pro­to­pla­né­taire, est loin d’être tran­chée. Si ce bref tour d’ho­ri­zon sou­ligne la dif­fi­cul­té à re­cons­ti­tuer un contexte astrophysique ré­vo­lu de­puis des mil­liards d’an­nées à par­tir de pierres éparses, il illustre as­sez la ri­chesse des ren­sei­gne­ments que les chon­drites peuvent four­nir sur les pre­miers so­lides du Sys­tème so­laire pri­mi­tif. Mais il y a en­core loin des com­po­sants mil­li­mé­triques qu’elles ex­hibent aux pla­nètes. C’est vers les mé­téo­rites dif­fé­ren­ciées – is­sues d’une des di­verses par­ties d’un corps pa­rent – qu’il faut se tour­ner pour com­prendre la construc­tion des pla­nètes et leur évolution géo­lo­gique pré­coce. (1) E. Jac­quet, Comptes Ren­dus Geos­ciences, 346, 3, 2014.

Les chon­drites ne consti­tuent pas une classe ho­mo­gène de mé­téo­rites

Ax­tell est une chon­drite car­bo­née, avec des chondres ronds, et des in­clu­sions blanches et ir­ré­gu­lières. À droite, vue au mi­cro­scope po­la­ri­sant, la tex­ture d’un chondre at­teste d’une so­li­di­fi­ca­tion ra­pide après fu­sion.

L’ex­po­si­tion Mé­téo­rites, entre ciel

et terre se tient jus­qu’au 10 juin 2018 à la Grande Ga­le­rie de l’évolution du Jar­din des plantes, à Pa­ris. Plus d’in­fos sur www.ex­po­me­teo­rites.fr

La sonde ja­po­naise Haya­bu­sa 2 doit rap­por­ter ses échan­tillons en 2020.

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